Vědci úspěšně dosáhli generace infračerveného laseru při pokojové teplotě, což by mělo přinést nižší výkon čerpadel laserů

Thelaserypoužívané k osvětlení světových optických komunikačních sítí jsou obvykle vyrobeny z vláken dotovaných erbiem nebo z polovodičů III-V, protože tytolaserymůže vyzařovat infračervené vlnové délky, které lze přenášet přes optická vlákna. Zároveň však není snadné tento materiál integrovat s tradiční křemíkovou elektronikou.

V nové studii vědci ve Španělsku uvedli, že se v budoucnu očekává, že budou vyrábět infračervené lasery, které mohou být potaženy podél optických vláken nebo naneseny přímo na křemík jako součást výrobního procesu CMOS. Prokázali, že koloidní kvantové tečky integrované ve speciálně navržené optické dutině mohou generovatlasersvětlo přes optické komunikační okno při pokojové teplotě.

Kvantové tečky jsou polovodiče v nanoměřítku obsahující elektrony. Energetické hladiny elektronů jsou podobné jako u skutečných atomů. Obvykle se vyrábějí zahříváním koloidů obsahujících chemické prekurzory krystalů kvantových teček a mají fotoelektrické vlastnosti, které lze upravit změnou jejich velikosti a tvaru. Dosud byly široce používány v různých zařízeních, včetně fotovoltaických článků, světelných diod a fotonových detektorů.

V roce 2006 tým z University of Toronto v Kanadě demonstroval použití koloidních kvantových teček sulfidu olovnatého pro infračervené lasery, ale musí to být provedeno při nízkých teplotách, aby se zabránilo tepelnému vzrušení Augerovy rekombinace elektronů a děr. Minulý rok vědci z Nanjingu v Číně informovali o infračervených laserech produkovaných tečkami vyrobenými ze selenidu stříbrného, ​​ale jejich rezonátory byly značně nepraktické a obtížně nastavitelné.

V nejnovějším výzkumu Gerasimos Konstantatos z Barcelonského technologického institutu ve Španělsku a jeho kolegové spoléhali na takzvanou dutinu s distribuovanou zpětnou vazbou k dosažení infračervených laserů při pokojové teplotě. Tato metoda využívá mřížku k omezení velmi úzkého pásma vlnových délek, což vede k jedinému laserovému režimu.

K vytvoření mřížky použili vědci elektronovou litografii k leptání vzorů na safírovém substrátu. Vybrali si safír kvůli jeho vysoké tepelné vodivosti, která může odebírat většinu tepla generovaného optickým čerpadlem – toto teplo způsobí rekombinaci laseru a jeho výstup bude nestabilní.

Poté Konstantatos a jeho kolegové umístili koloid sulfidu olovnatého s kvantovou tečkou na devět mřížek s různými roztečemi v rozmezí od 850 nanometrů do 920 nanometrů. Použili také tři různé velikosti kvantových teček o průměrech 5,4 nm, 5,7 nm a 6,0 nm.

V testu pokojové teploty tým prokázal, že dokáže generovat lasery v komunikačním pásmu c, l a u, od 1553 nm do 1649 nm, dosahující plné šířky, poloviny maximální hodnoty, pouhých 0,9 meV. Zjistili také, že díky n-dopovanému sulfidu olovnatého mohou snížit intenzitu čerpání asi o 40 %. Konstantatos věří, že toto snížení připraví cestu pro praktičtější lasery s čerpadlem s nižším výkonem a může dokonce připravit cestu pro elektrické čerpání.

Pokud jde o potenciální aplikace, Konstantatos uvedl, že řešení s kvantovými tečkami může přinést nové integrované laserové zdroje CMOS pro dosažení levné, efektivní a rychlé komunikace v rámci nebo mezi integrovanými obvody. Dodal, že vzhledem k tomu, že infračervené lasery jsou považovány za neškodné pro lidské vidění, může také zlepšit lidar.

Než však mohou být lasery uvedeny do provozu, musí výzkumníci nejprve optimalizovat své materiály, aby prokázali použití laserů s kontinuálními vlnami nebo zdroji s dlouhými pulzy. Důvodem je vyhnout se použití drahých a objemných sub-pikosekundových laserů. Konstantatos řekl: "Nanosekundové pulsy nebo spojité vlny nám umožní používat diodové lasery, což je praktičtější nastavení."