Wetenschappers zijn er met succes in geslaagd infraroodlasers te genereren bij kamertemperatuur, wat naar verwachting pomplasers met een lager vermogen zal opleveren

Delasersdie worden gebruikt om de optische communicatienetwerken ter wereld te verlichten, zijn meestal gemaakt van met erbium gedoteerde vezels of III-V-halfgeleiders, omdat dezelaserskan infrarode golflengten uitzenden die via optische vezels kunnen worden verzonden. Tegelijkertijd is dit materiaal echter niet eenvoudig te integreren met traditionele siliciumelektronica.

In een nieuwe studie zeiden wetenschappers in Spanje dat van hen wordt verwacht dat ze in de toekomst infraroodlasers zullen produceren die langs optische vezels kunnen worden gecoat of rechtstreeks op silicium kunnen worden afgezet als onderdeel van het CMOS-productieproces. Ze hebben aangetoond dat colloïdale kwantumdots geïntegreerd in een speciaal ontworpen optische holte kunnen genererenlaserlicht door een optisch communicatievenster bij kamertemperatuur.

Quantum dots zijn halfgeleiders op nanoschaal die elektronen bevatten. De energieniveaus van elektronen zijn vergelijkbaar met die van echte atomen. Ze worden meestal vervaardigd door colloïden te verwarmen die chemische voorlopers van quantum dot-kristallen bevatten, en hebben foto-elektrische eigenschappen die kunnen worden aangepast door hun grootte en vorm te veranderen. Tot nu toe zijn ze op grote schaal gebruikt in verschillende apparaten, waaronder fotovoltaïsche cellen, lichtgevende diodes en fotonendetectoren.

In 2006 demonstreerde een team van de Universiteit van Toronto in Canada het gebruik van colloïdale kwantumdots van loodsulfide voor infraroodlasers, maar dit moet bij lage temperaturen gebeuren om te voorkomen dat de Auger-recombinatie van elektronen en gaten thermisch wordt opgewonden. Vorig jaar rapporteerden onderzoekers in Nanjing, China, over infraroodlasers geproduceerd door stippen gemaakt van zilverselenide, maar hun resonatoren waren behoorlijk onpraktisch en moeilijk aan te passen.

In het laatste onderzoek vertrouwden Gerasimos Konstantatos van het Barcelona Institute of Technology in Spanje en zijn collega's op een zogenaamde gedistribueerde feedbackholte om infraroodlasers bij kamertemperatuur te realiseren. Deze methode maakt gebruik van een rooster om een ​​zeer smalle golflengteband te beperken, wat resulteert in een enkele lasermodus.

Om het rooster te maken, gebruikten de onderzoekers elektronenbundellithografie om patronen op het saffiersubstraat te etsen. Ze kozen voor saffier vanwege de hoge thermische geleidbaarheid, die het grootste deel van de door de optische pomp gegenereerde warmte kan wegnemen. Deze warmte zorgt ervoor dat de laser zich recombineert en de laseruitvoer onstabiel maakt.

Vervolgens plaatsten Konstantatos en zijn collega's een loodsulfide-kwantumdotcolloïde op negen roosters met verschillende toonhoogtes, variërend van 850 nanometer tot 920 nanometer. Ze gebruikten ook drie verschillende formaten kwantumdots met diameters van 5,4 nm, 5,7 nm en 6,0 nm.

In een test bij kamertemperatuur heeft het team aangetoond dat het lasers kan genereren in de communicatie-c-band, l-band en u-band, van 1553 nm tot 1649 nm, waarbij de volledige breedte wordt bereikt, de helft van de maximale waarde, zo laag als 0,9 ikV. Ze ontdekten ook dat ze dankzij het n-gedoteerde loodsulfide de pompintensiteit met ongeveer 40% kunnen verminderen. Konstantatos is van mening dat deze reductie de weg zal vrijmaken voor meer praktische pomplasers met een lager vermogen, en mogelijk zelfs de weg zal vrijmaken voor elektrisch pompen.

Wat betreft mogelijke toepassingen zei Konstantatos dat de quantum dot-oplossing nieuwe CMOS-geïntegreerde laserbronnen zou kunnen opleveren om goedkope, efficiënte en snelle communicatie binnen of tussen geïntegreerde schakelingen te bereiken. Hij voegde eraan toe dat, aangezien infraroodlasers als onschadelijk voor het menselijk gezichtsvermogen worden beschouwd, dit ook de lidar kan verbeteren.

Voordat lasers echter in gebruik kunnen worden genomen, moeten onderzoekers eerst hun materialen optimaliseren om het gebruik van lasers met continue golf- of lange-pulspompbronnen aan te tonen. De reden hiervoor is om het gebruik van dure en omvangrijke sub-picosecondelasers te vermijden. Konstantatos zei: "Nanosecondepulsen of continue golven zullen ons in staat stellen diodelasers te gebruiken, waardoor het een meer praktische omgeving wordt."