Niedawno zespół kierowany przez profesora Di Davida, badacza Zou Chena i profesora Zhao Baodana z College of Optical Science and Engineering/International Joint College na Uniwersytecie Zhejiang opracował pierwszy na świecie napędzany elektrycznie laser perowskitowy. Ten laser z „podwójną-wnęką” łączy dwie mikrownęki optyczne, łącząc nisko-progową pojedynczą-krystaliczną mikrownękę perowskitową z podjednostką perowskitowej diody LED-o dużej mocy w jedno urządzenie, tworząc pionowo ułożoną wielowarstwową strukturę.
Ten nowy typ lasera półprzewodnikowego wymaga minimalnej gęstości prądu (prądu progowego) wynoszącej 92 A/cm2 emitować światło lasera o rząd wielkości mniejsze niż w przypadku najlepszych organicznych laserów półprzewodnikowych. Wykazuje również dobrą stabilność i umożliwia szybką modulację w paśmie 36,2 MHz, co czyni go obiecującym w zastosowaniach takich jak-transmisja danych w chipie, informatyka i biomedycyna. Powiązany artykuł badawczy został opublikowany w czasopiśmie Nature 27 sierpnia.
Istnieje wiele rodzajów laserów, a obecnie nowe materiały laserowe, takie jak półprzewodniki perowskitowe, półprzewodniki organiczne i kropki kwantowe, wykazują znaczne zalety. Wśród tych materiałów półprzewodniki perowskitowe wyróżniają się przestrajalnymi widmami emisyjnymi (umożliwiającymi wytwarzanie różnych kolorów) i wyjątkowo niskimi progami emisji lasera w przypadku pompowania optycznego (tj. w{{3}warunkach sterowanych światłem), co czyni je wysoce obiecującymi w zastosowaniach technologicznych.
Jednakże opracowanie napędzanego elektrycznie lasera perowskitowego było największym wyzwaniem w dziedzinie optoelektroniki perowskitowej i celem, do którego dążyły liczne zespoły badawcze na całym świecie.
„Aby uzyskać emisję lasera napędzaną elektrycznie, wynaleźliśmy zintegrowaną strukturę z podwójną-wnęką. Nasze podejście polega na kompaktowej integracji w tym samym urządzeniu podjednostki perowskitowej LED z mikrownęką o dużej-mocy z wysokiej-jakości pojedynczą-podjednostką mikrownęki z perowskitu kryształowego” – wyjaśnił Di David, współautor artykułu. Urządzenie to skutecznie łączy dużą liczbę fotonów generowanych przez elektrycznie wzbudzoną mikrownękę perowskitową LED z drugą mikrownęką, wzbudzając jedno-krystaliczny perowskitowy ośrodek wzmacniający w celu wytworzenia światła laserowego. Ten zintegrowany laser składa się z dwóch mikrownęk optycznych o wysokiej wydajności sprzężenia (82,7%). Podjednostka perowskitowa LED z mikrowgłębieniami pod wpływem impulsów elektrycznych wytwarza szczytową gęstość mocy promieniowania wynoszącą około 2,5 × 104mW/cm2, co odpowiada ultra-wysokiemu blaskowi około 2,0×105W/sr/m2. Ta moc optyczna jest skutecznie przenoszona do mikrownęki perowskitowej z monokryształu-, wspierającej emisję lasera.
„Ten nowy laser półprzewodnikowy wykazał już znaczny potencjał technologiczny” – zauważył Di David. Przy wzbudzeniu elektrycznym laser perowskitowy ma prąd progowy 92 A/cm2, czyli o rząd wielkości mniej niż w przypadku najlepszych laserów organicznych napędzanych elektrycznie. Co więcej, napędzany elektrycznie laser perowskitowy charakteryzuje się lepszą powtarzalnością i stabilnością niż lasery organiczne i może osiągnąć szybką modulację przy szerokości pasma 36,2 MHz.
Napędzane elektrycznie lasery perowskitowe mogą być stosowane w różnych zastosowaniach, takich jak optyczna transmisja danych, i mogą służyć jako źródła spójnego światła w zintegrowanych chipach fotonicznych i urządzeniach do noszenia. Zespół odkrył, że urządzenie można szybko modulować za pomocą impulsów elektrycznych o szerokości pasma 36,2 MHz. Tę szybkość modulacji osiąga się poprzez zmniejszenie efektywnego obszaru urządzenia w celu zminimalizowania stałej-rezystancji (RC) i wykorzystanie podłoża krzemowego w celu poprawy rozpraszania ciepła.
Zhao Baodan powiedział: „W przyszłości będziemy musieli przezwyciężyć ograniczenia czasu życia promieniowania spontanicznego w skali nanosekundowej-podjednostki LED z perowskitu z mikrownękami, aby osiągnąć prędkość działania urządzenia-na poziomie- GHz”.
„Przejście z obecnej architektury «zintegrowanego pompowania» na prostszą strukturę diody laserowej będzie miało kluczowe znaczenie dla przyszłych badań, ponieważ umożliwi bardziej kompaktowe i skalowalne zastosowania optoelektroniczne” – dodał Di David.