Forskere har med succes opnået infrarød lasergenerering ved stuetemperatur, hvilket forventes at bringe pumpelasere med lavere effekt

Detlaserebruges til at belyse verdens optiske kommunikationsnetværk er normalt lavet af erbium-doterede fibre eller III-V halvledere, fordi disselaserekan udsende infrarøde bølgelængder, der kan transmitteres gennem optiske fibre. Men samtidig er dette materiale ikke let at integrere med traditionel siliciumelektronik.

I en ny undersøgelse sagde videnskabsmænd i Spanien, at de i fremtiden forventes at producere infrarøde lasere, der kan belægges langs optiske fibre eller aflejres direkte på silicium som en del af CMOS-fremstillingsprocessen. De har vist, at kolloide kvanteprikker integreret i et specielt designet optisk hulrum kan genererelaserlys gennem et optisk kommunikationsvindue ved stuetemperatur.

Kvanteprikker er halvledere i nanoskala, der indeholder elektroner. Energiniveauerne for elektroner ligner dem for rigtige atomer. De fremstilles normalt ved opvarmning af kolloider indeholdende kemiske forstadier til kvantepunktkrystaller og har fotoelektriske egenskaber, der kan justeres ved at ændre deres størrelse og form. Hidtil har de været meget brugt i forskellige enheder, herunder fotovoltaiske celler, lysemitterende dioder og fotondetektorer.

I 2006 demonstrerede et hold fra University of Toronto i Canada brugen af ​​blysulfid kolloide kvanteprikker til infrarøde lasere, men det skal gøres ved lave temperaturer for at undgå termisk ophidselse af Auger-rekombinationen af ​​elektroner og huller. Sidste år rapporterede forskere i Nanjing, Kina om infrarøde lasere produceret af prikker lavet af sølvselenid, men deres resonatorer var ret upraktiske og svære at justere.

I den seneste forskning stolede Gerasimos Konstantatos fra Barcelona Institute of Technology i Spanien og hans kolleger på et såkaldt distribueret feedback-hulrum for at opnå infrarøde lasere ved stuetemperatur. Denne metode bruger et gitter til at begrænse et meget smalt bølgelængdebånd, hvilket resulterer i en enkelt lasertilstand.

For at lave gitteret brugte forskerne elektronstrålelitografi til at ætse mønstre på safirsubstratet. De valgte safir på grund af dens høje termiske ledningsevne, som kan fjerne det meste af den varme, der genereres af den optiske pumpe - denne varme vil få laseren til at rekombinere og gøre laseroutputtet ustabilt.

Derefter anbragte Konstantatos og hans kolleger et kvantepunktkolloid af blysulfid på ni gitre med forskellige stigninger, der spænder fra 850 nanometer til 920 nanometer. De brugte også tre forskellige størrelser af kvanteprikker med diametre på 5,4 nm, 5,7 nm og 6,0 nm.

I en stuetemperaturtest demonstrerede holdet, at det kan generere lasere i kommunikations-c-båndet, l-båndet og u-båndet, fra 1553 nm til 1649 nm, og når fuld bredde, halvdelen af ​​den maksimale værdi, så lavt som 0,9 meV. De fandt også ud af, at de på grund af det n-dopede blysulfid kan reducere pumpeintensiteten med omkring 40 %. Konstantatos mener, at denne reduktion vil bane vejen for mere praktiske pumpelasere med lavere effekt og måske endda bane vejen for elektrisk pumpning.

Med hensyn til potentielle applikationer sagde Konstantatos, at kvantepunktløsningen kan bringe nye integrerede CMOS-laserkilder til at opnå billig, effektiv og hurtig kommunikation inden for eller mellem integrerede kredsløb. Han tilføjede, at i betragtning af, at infrarøde lasere betragtes som harmløse for menneskets syn, kan det også forbedre lidar.

Men før lasere kan tages i brug, skal forskere først optimere deres materialer for at demonstrere brugen af ​​lasere med kontinuerlige bølger eller lange pulspumper. Grunden til dette er at undgå brugen af ​​dyre og omfangsrige sub-picosecond lasere. Konstantatos sagde: "Nanosekundpulser eller kontinuerlige bølger vil give os mulighed for at bruge diodelasere, hvilket gør det til en mere praktisk indstilling."