Простой трюк сделал крошечные лазеры мощнее, чем когда-либо

Подавление оже-рекомбинации для высокопроизводительных перовскитных VCSEL. Автор: Синлян Дай (Чжэцзянский университет)

В течение многих лет инженеры искали лучшие способы создания крошечных и эффективных лазеров, которые можно было бы интегрировать непосредственно в кремниевые чипы — ключевой шаг к более быстрой и мощной оптической связи и вычислениям. Современные коммерческие лазеры в основном производятся из полупроводников III-V группы, выращенных на специализированных подложках — процесс, который затрудняет и удорожает их совмещение с основной кремниевой технологией. Неорганические перовскитные пленки стали многообещающей альтернативой, поскольку их можно производить недорого, они совместимы со многими типами подложек и обладают сильными оптическими свойствами. Но одно серьезное препятствие стояло на пути: при комнатной температуре было сложно заставить перовскитные лазеры работать в непрерывном или почти непрерывном режиме без быстрой потери носителей заряда из-за эффекта, известного как оже-рекомбинация.

Исследовательская группа из Чжэцзянского университета продемонстрировала простой метод преодоления этой проблемы, достигнув рекордных показателей для перовскитных лазеров в условиях почти непрерывной работы. Как сообщается в Advanced Photonics, их подход использует летучее аммониевое добавление во время процесса отжига поликристаллических перовскитных пленок. Эта добавка запускает «фазовую реконструкцию», которая удаляет нежелательные низкоразмерные фазы, уменьшая каналы, ускоряющие оже-рекомбинацию. В результате получается чистая 3D-структура, которая лучше сохраняет носители заряда, необходимые для лазерной генерации, без значительных оптических потерь.

Чтобы понять улучшение, команда проанализировала, как электроны и дырки рекомбинируют при различных условиях накачки. Оже-рекомбинация — когда энергия от рекомбинирующей электрон-дырочной пары передается другому носителю вместо излучения в виде света — становится особенно проблематичной, когда входной свет подается в виде более длинных импульсов или непрерывных пучков. В этих ситуациях инжекция носителей происходит в масштабе времени, аналогичном или более длительном, чем время жизни Оже, что приводит к быстрой потере носителей и предотвращает накопление инверсии населенности, необходимой для лазерной генерации. Подавив этот процесс, исследователи смогли поддерживать плотность носителей, необходимую для эффективного стимулированного излучения.

С помощью оптимизированных пленок команда создала одномодовый вертикально-излучающий лазер (VCSEL), который достиг низкого порога лазерной генерации 17,3 мкДж/см² и впечатляющего добротности 3850 при квазинепрерывной наносекундной накачке. Эти показатели являются лучшими из когда-либо зарегистрированных для перовскитного лазера в этом режиме.

Результаты указывают на практический путь создания высокопроизводительных перовскитных лазеров, которые могли бы работать в условиях истинного непрерывного излучения или электрического возбуждения — ключевые вехи для их интеграции в будущие фотонные чипы и потенциально гибкие или носимые оптоэлектронные устройства.

Источники:

Материалы предоставлены SPIE—Международным обществом оптики и фотоники.

Синьян Ван, Гочжао Лу, Цютин Цай, Цзин Ли, Хаоран Чжан, Цзайшан Лонг, Мейи Чжу, Юнь Гао, Цинли Цао, Ханьян Хуан, Синлян Дай, Чжичжэнь Е, Хайпин Хе. Летучая аммониевая фазовая реконструкция перовскита для высокопроизводительной квази-непрерывной лазерной генерации. Advanced Photonics, 2025; 7 (05) DOI: 10.1117/1.AP.7.5.056006