科学家成功实现室温下产生红外激光,有望带来更低功率的泵浦激光器

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用于照亮世界光通信网络的激光器,通常由掺铒光纤或III-V半导体制成,因为这些激光器可以发射出可通过光纤传输的红外波长。然而,与此同时,这种材料并不容易与传统的硅电子集成。

在一项新的研究中,西班牙的科学家们表示,未来他们有望制造出可以沿着光纤涂层或直接沉积在硅上的红外激光器,作为CMOS制造过程的一部分。他们已经证明,集成在一个专门设计的光学腔内的胶体量子点,可以在室温下通过光学通信窗口产生激光。

量子点是含有电子的纳米级半导体,电子的能级与真实原子的能级相似。它们通常是通过加热含有量子点晶体化学前体的胶体来制造的,并且具有光电特性,可以通过改变它们的大小和形状来调整。到目前为止,它们已经被广泛应用于各种设备中,包括光伏电池、发光二极管和光子探测器。

胶体量子点也被用于制造可见光激光器,这要归功于硒化镉(最常用的量子点材料之一)在这些波长的高增益。然而,由于最适合这项任务的材料——硫化铅,获得的收益往往有限,证明在红外中进行激光实验就更加棘手了。

2006年,加拿大多伦多大学的一个小组演示了使用硫化铅胶体量子点进行红外激光,但必须在低温下进行,以避免热激发电子和空穴的Auger复合。去年,中国南京的研究人员报道了用硒化银制成的圆点产生的红外激光,但他们的谐振器相当不实用,而且很难调节。

在最新的研究中,西班牙巴塞罗那科技学院的格西莫斯·康斯坦塔托斯(Gerasimos Konstantatos)和他的同事们依靠一种所谓的分布式反馈腔来实现室温下的红外激光。这种方法使用光栅来限制非常窄的波长波段,从而产生单一的激光模式。

为了制作光栅,研究人员使用电子束光刻技术在蓝宝石衬底上蚀刻图案。他们选择蓝宝石,是因为它的高热导率可以带走由光泵浦产生的大部分热量——这些热量会促使激光重新组合并使激光输出不稳定。

然后,Konstantatos和他的同事将一种硫化铅量子点胶体放置在9个不同间距的光栅上,间距从850纳米到920纳米不等。他们还使用了三种不同尺寸的量子点,直径分别为5.4 nm、5.7 nm和6.0 nm。

在室温测试中,该团队展示了它可以在通信c波段、l波段和u波段产生激光,从1553 nm到1649 nm,达到全宽度,最大值的一半,低至0.9 meV。他们还发现,由于n-掺杂硫化铅,他们可以降低大约40%的泵浦强度。Konstantatos认为,这种减少为更实用、更低功率的泵浦激光器,甚至可能为电泵浦铺平了道路。

至于潜在的应用,Konstantatos表示,量子点方案可能带来新的CMOS集成激光源,实现集成电路内部或之间廉价、高效和快速的通信。他补充说,考虑到红外激光被认为对人类视力无害,它还可能改进激光雷达。

然而,在激光投入使用之前,研究人员必须首先优化他们的材料,以证明使用连续波或长脉冲泵浦源的激光。这样做的原因,是为了避免使用昂贵而笨重的亚皮秒激光器。Konstantatos称:“纳秒脉冲或连续波将允许我们使用二极管激光器,使它成为一个更实际的设置。”

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