For nylig udviklede et hold ledet af professor Di David, forsker Zou Chen og professor Zhao Baodan fra College of Optical Science and Engineering/International Joint College ved Zhejiang University verdens første elektrisk drevne perovskitlaser. Denne "dobbelt-hulrum"-laser integrerer to optiske mikrokaviteter, der kombinerer en lav-perovskit-enkelt-krystalmikrohulrumsunderenhed med en høj-mikrohulrums-perovskite-LED-underenhed i en enkelt enhed, der danner en vertikalt stablet flerlagsstruktur.
Denne nye type halvlederlaser kræver en minimumstrømtæthed (tærskelstrøm) på 92 A/cm2 at udsende laserlys, som er en størrelsesorden lavere end de bedste organiske halvlederlasere. Det demonstrerer også god stabilitet og kan opnå hurtig modulering ved en båndbredde på 36,2 MHz, hvilket gør det lovende til applikationer såsom on-chip datatransmission, computing og biomedicin. Det relaterede forskningspapir blev offentliggjort i Nature den 27. august.
Der er forskellige typer lasere, og i øjeblikket viser nye lasermaterialer såsom perovskit-halvledere, organiske halvledere og kvanteprikker betydelige fordele. Blandt disse materialer skiller perovskit-halvledere sig ud på grund af deres afstembare emissionsspektre (i stand til at producere forskellige farver) og ekstremt lave laseremissionstærskler under optisk pumpning (dvs. lys-drevne forhold), hvilket gør dem meget lovende til teknologiske anvendelser.
Udviklingen af en elektrisk drevet perovskit-laser har imidlertid været den største udfordring inden for perovskit-optoelektronik og et mål, der forfølges af adskillige forskerhold verden over.
"For at opnå elektrisk drevet laseremission opfandt vi en integreret dobbelt-hulrumsstruktur. Vores tilgang involverer kompakt integration af en høj-mikrohulrum perovskit LED-underenhed med en enkelt-krystalperovskit-mikrohulrumsunderenhed af høj-kvalitet i den samme enhed," forklarede den tilsvarende forfatter Di David. Denne enhed kobler effektivt et stort antal fotoner genereret af den elektrisk exciterede mikrohulrum perovskit LED ind i det andet mikrohulrum, hvilket exciterer enkeltkrystalperovskitforstærkningsmediet til at producere laserlys. Denne integrerede laser består af to optiske mikrokaviteter med høj koblingseffektivitet (82,7%). Under elektriske impulser producerer mikrohulrummet perovskit LED-underenhed en maksimal strålingseffekttæthed på ca. 2,5×104mW/cm2, svarende til en ultra-høj udstråling på omkring 2,0×105W/sr/m2. Denne optiske kraft overføres effektivt til enkelt-krystalperovskit-mikrohulrummet, der understøtter laseremission.
"Denne nye halvlederlaser har allerede vist et betydeligt teknologisk potentiale," bemærkede Di David. Under elektrisk excitation har perovskit-laseren en tærskelstrøm på 92 A/cm2, hvilket er en størrelsesorden lavere end de bedste elektrisk drevne organiske lasere. Desuden udviser den elektrisk drevne perovskite-laser bedre reproducerbarhed og stabilitet end organiske lasere og kan opnå hurtig modulering ved en båndbredde på 36,2 MHz.
Elektrisk drevne perovskite lasere kan bruges i forskellige applikationer, såsom optisk datatransmission, og kan tjene som sammenhængende lyskilder i integrerede fotoniske chips og bærbare enheder. Holdet fandt ud af, at enheden hurtigt kan moduleres via elektriske impulser ved en båndbredde på 36,2 MHz. Denne modulationshastighed opnås ved at reducere enhedens effektive areal for at minimere modstands-kapacitanskonstanten (RC) og ved at bruge et siliciumsubstrat for at forbedre varmeafledningen.
Zhao Baodan sagde: "I fremtiden bliver vi nødt til at overvinde begrænsningen af nanosekunds-skalaens spontane strålingslevetid for mikrohulrummets perovskite LED-underenhed for at opnå enhedens-højhastighedsdrift på GHz-niveau."
"Overgangen fra den nuværende 'integrerede pumpe'-arkitektur til en enklere laserdiodestruktur vil være nøglen til fremtidig forskning, da det vil muliggøre mere kompakte og skalerbare optoelektroniske applikationer," tilføjede Di David.