The
laserystosowane do oświetlania światowych optycznych sieci komunikacyjnych są zwykle wykonane z włókien domieszkowanych erbem lub półprzewodników III-V, ponieważ te
laserymoże emitować fale podczerwone, które mogą być transmitowane przez światłowody. Jednak jednocześnie materiał ten nie jest łatwy w integracji z tradycyjną elektroniką krzemową.
W nowym badaniu naukowcy z Hiszpanii stwierdzili, że w przyszłości mają produkować lasery na podczerwień, które można powlekać wzdłuż włókien optycznych lub osadzać bezpośrednio na krzemie w ramach procesu produkcyjnego CMOS. Wykazali, że mogą generować koloidalne kropki kwantowe zintegrowane w specjalnie zaprojektowanej wnęce optycznej
laserświatło przez optyczne okienko komunikacyjne w temperaturze pokojowej.
Kropki kwantowe to półprzewodniki w skali nano zawierające elektrony. Poziomy energii elektronów są podobne do poziomów energii rzeczywistych atomów. Są one zwykle wytwarzane przez ogrzewanie koloidów zawierających chemiczne prekursory kryształów kropek kwantowych i mają właściwości fotoelektryczne, które można regulować poprzez zmianę ich rozmiaru i kształtu. Do tej pory znalazły szerokie zastosowanie w różnych urządzeniach, m.in. w ogniwach fotowoltaicznych, diodach elektroluminescencyjnych i detektorach fotonów.
W 2006 roku zespół z Uniwersytetu w Toronto w Kanadzie zademonstrował zastosowanie koloidalnych kropek kwantowych siarczku ołowiu w laserach podczerwonych, ale należy to robić w niskich temperaturach, aby uniknąć termicznego wzbudzania rekombinacji elektronów i dziur Augera. W zeszłym roku badacze z Nanjing w Chinach donieśli o laserach podczerwonych wytwarzanych przez kropki wykonane z selenku srebra, ale ich rezonatory były dość niepraktyczne i trudne do wyregulowania.
W najnowszych badaniach Gerasimos Konstantatos z Instytutu Technologii w Barcelonie w Hiszpanii wraz ze współpracownikami wykorzystał tak zwaną wnękę z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym, aby uzyskać działanie laserów podczerwonych w temperaturze pokojowej. Metoda ta wykorzystuje siatkę w celu ograniczenia bardzo wąskiego pasma długości fali, co skutkuje pojedynczym trybem lasera.
Do wykonania siatki badacze wykorzystali litografię wiązką elektronów do wytrawienia wzorów na szafirowym podłożu. Wybrali szafir ze względu na jego wysoką przewodność cieplną, która może odebrać większość ciepła generowanego przez pompę optyczną – ciepło to spowoduje rekombinację lasera i sprawi, że moc lasera będzie niestabilna.
Następnie Konstantatos i jego współpracownicy umieścili koloid z kropką kwantową siarczku ołowiu na dziewięciu siatkach o różnych odstępach od 850 nanometrów do 920 nanometrów. Wykorzystali także trzy różne rozmiary kropek kwantowych o średnicach 5,4 nm, 5,7 nm i 6,0 nm.
W teście w temperaturze pokojowej zespół wykazał, że może generować lasery w komunikacyjnym paśmie c, l i u, od 1553 nm do 1649 nm, osiągając pełną szerokość, połowę wartości maksymalnej, zaledwie 0,9 ja Odkryli również, że dzięki domieszkowi n siarczku ołowiu mogą zmniejszyć intensywność pompowania o około 40%. Konstantatos uważa, że ta redukcja utoruje drogę bardziej praktycznym laserom pompowym o niższej mocy, a może nawet utorować drogę pompowaniu elektrycznemu.
Jeśli chodzi o potencjalne zastosowania, Konstantatos powiedział, że rozwiązanie oparte na kropkach kwantowych może przynieść nowe zintegrowane źródła laserowe CMOS, co umożliwi tanią, wydajną i szybką komunikację w obrębie układów scalonych lub pomiędzy nimi. Dodał, że biorąc pod uwagę, że lasery na podczerwień uważane są za nieszkodliwe dla ludzkiego wzroku, mogą one także usprawnić lidar.
Zanim jednak lasery będą mogły zostać wprowadzone do użytku, badacze muszą najpierw zoptymalizować swoje materiały, aby zademonstrować zastosowanie laserów ze źródłami fali ciągłej lub pompami o długich impulsach. Powodem tego jest uniknięcie stosowania drogich i nieporęcznych laserów subpikosekundowych. Konstantatos powiedział: „Nanosekundowe impulsy lub fale ciągłe pozwolą nam na użycie laserów diodowych, dzięki czemu będzie to bardziej praktyczne ustawienie”.
