Laser semicondutor emissor de superfície alcança avanço em eficiência
Perspectivas de aplicação de VCSEL de alta eficiência para fotônica de energia verde. Crédito:Light:Ciência e Aplicações (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01403-7 Desde a sua criação, a eficiência de conversão de energia (PCE) da tecnologia laser de emissão de borda (EEL) tem quebrado recordes continuamente, alcançando uma eficiência historicamente alta de 85% a -50°C em 2006. Depois disso, em 2007, a EEL também atingiu uma alta eficiência de 76% à temperatura ambiente. No entanto, nos 15 anos seguintes, nenhum novo recorde de eficiência foi estabelecido e essas conquistas permaneceram o auge dos lasers semicondutores.
Em contraste, a melhoria da eficiência dos lasers emissores de superfície de cavidade vertical (VCSEL) tem sido mais lenta. Desde que foi reportado um PCE máximo de 62% em 2009, não houve avanços significativos, destacando uma clara lacuna de desempenho entre VCSEL e EEL. Por ser um laser de microcavidades, alcançar uma conversão de alta eficiência no campo da fotônica sempre foi um desafio para o VCSEL.
Devido ao seu baixo consumo de energia e eficiência, as primeiras aplicações dos VCSELs concentraram-se principalmente em produtos eletrônicos de consumo de pequena escala e baixo consumo de energia e na comunicação de curta distância em data centers. Nos últimos anos, com os avanços na tecnologia inteligente, os VCSELs de baixa potência tornaram-se um chip principal de fonte de luz para sistemas de detecção inteligentes, encontrando ampla aplicação em reconhecimento facial e detecção de curta distância com sucesso notável.
Recentemente, o rápido desenvolvimento da tecnologia avançada de inteligência artificial revelou o imenso potencial dos VCSELs em áreas como detecção, comunicação, relógios atômicos, computação óptica/quântica, lasers topológicos e diagnósticos médicos. Em particular, a procura de tecnologias de detecção de longo alcance na condução autónoma, o poder computacional da IA em centros de processamento de dados de alta velocidade e o crescimento dos VCSEL em aplicações de tecnologia inteligente e quântica sublinham a importância do consumo de energia como uma questão central.
A eficiência energética dos VCSELs tem um impacto significativo no consumo de energia de dispositivos móveis e data centers. Portanto, o desenvolvimento de VCSELs de altíssima eficiência é crucial para apoiar o desenvolvimento de dispositivos finais na futura era inteligente e desempenha um papel importante no avanço do desenvolvimento da fotônica de energia verde.
Em um novo artigo publicado em Light:Science &Applications , uma equipe de cientistas, liderada pelo professor Jun Wang da Faculdade de Engenharia Eletrônica e de Informação da Universidade de Sichuan, China e Suzhou Everbright Photonics Co., Ltd, Suzhou, China, e colegas de trabalho, alcançou um avanço na eficiência do VCSEL usando ativos ativos em cascata multijunção tecnologia da área.
. Princípio do laser emissor de superfície de cavidade vertical em cascata de múltiplas junções. Crédito:Light:Ciência e Aplicações (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01403-7
Resumo da eficiência de conversão eletro-óptica de lasers semicondutores. Crédito:Light:Ciência e Aplicações (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01403-7
Ao empregar junções de túnel reversas para realizar a cascata da região ativa, o volume de ganho é aumentado. Esta estratégia de design permite que as portadoras passem por múltiplos processos de emissão estimulada, não apenas aumentando a eficiência quântica diferencial do dispositivo, mas também mantendo um limiar de corrente mais baixo.
Como resultado, nos últimos anos, um número significativo de pesquisadores aproveitou VCSELs de múltiplas junções para alcançar um crescimento exponencial de potência, tornando os VCSELs viáveis como fontes de laser para LiDAR em veículos autônomos. No entanto, a vantagem potencial mais significativa dos VCSELs de múltiplas junções deve ser a sua notável melhoria de eficiência.
Portanto, um estudo sistemático combinando simulações teóricas com experimentos é conduzido para investigar as vantagens dos VCSELs multijunções na eficiência de conversão eletro-óptica.
A equipe simulou as propriedades de escala de VCSELs de junção múltipla e as comparou com as de VCSELs de junção única. Simulações numéricas indicam que um VCSEL de 20 junções pode exceder uma eficiência de conversão eletro-óptica de 88% em condições de temperatura ambiente.
Experimentalmente, um VCSEL de 15 junções alcançou uma eficiência de conversão eletro-óptica de 74% à temperatura ambiente, com uma eficiência de inclinação de 15,6 W/A, correspondendo a uma eficiência quântica diferencial superior a 1100%. Os pesquisadores acreditam que esta eficiência de conversão eletro-óptica é a mais alta relatada no campo VCSEL até o momento, e esta eficiência quântica diferencial é a mais alta já relatada em lasers semicondutores.
Como afirmou o revisor:“Isso realmente representa um avanço significativo em um campo que está estagnado há muito tempo”.
Os autores do estudo escrevem:“No futuro, também planejamos explorar e expandir as aplicações de VCSELs multijunções de alta eficiência e alta potência no campo das comunicações.
"Esta pesquisa não apenas fornece evidências teóricas e experimentais valiosas para maior otimização e aplicação de VCSELs, mas também oferece uma referência valiosa para o desenvolvimento e aplicação de lasers semicondutores de alto PCE. Espera-se que tenha um impacto significativo na fotônica de energia verde e no laser. física."
