От фотонных чипов до связи: этот лазер работает на электричестве

В журнале Nature опубликовано исследование, которое решает задачу, мучившую учёных более десяти лет: создание перовскитного лазера с электрической накачкой.

Группа из Чжэцзянского университета представила двухрезонаторное устройство, демонстрирующее низкий порог генерации и высокую стабильность. Этот прорыв открывает путь к новому поколению оптоэлектронных устройств — от фотонных чипов до высокоскоростных систем передачи данных.

Почему это важно

Перовскиты известны как перспективные материалы благодаря:

• высоким коэффициентам усиления,

• длительному времени жизни носителей заряда,

• возможности настройки спектра излучения.

До недавнего времени лазеры на их основе работали только при оптической накачке, что ограничивало их практическое применение. Электрическая генерация оставалась недостижимой из-за деградации материалов и сложностей интеграции.

Ключевая проблема

На уровне материалов

• Высокие токи, необходимые для возбуждения, вызывали разрушение кристаллов.

• Сложность выращивания монокристаллов с идеальной структурой.

На уровне устройств

• Низкая эффективность световой отдачи перовскитных диодов.

• Трудности в оптической связи между микрополостями.

Двухрезонаторное решение

Исследователи предложили архитектуру из двух микрополостей:

1. Первая микрополость - перовскитный светодиод, генерирующий направленный поток фотонов.

2. Вторая микрополость - монокристаллический перовскит, усиливающий сигнал и обеспечивающий лазерное излучение.

Эта разделённая функция позволила снизить нагрузку на материал и обеспечить стабильную работу.

Инженерная точность

Для успешного прототипа потребовалось:

• выращивание монокристаллов FAPbI₃ методом обратной температурной кристаллизации;

• использование перовскитного состава Cs₀.₅FA₀.₅PbI₂Br для светодиодного компонента;

• интеграция с брэгговскими отражателями для повышения эффективности связи.

Эти меры позволили достичь эффективности оптической связи 82,7% и снизить порог генерации почти в 5 раз по сравнению с однокамерными аналогами.

Производительность и показатели

• Порог генерации: минимальное значение 92 А/см² (лучший результат среди органических лазеров).

• Стабильность: период полураспада — 1,8 часа при импульсной работе (64 000 импульсов).

• Скорость модуляции: полоса пропускания 36,2 МГц, время нарастания/спада около 5 наносекунд.

Это значит, что лазер может включаться и выключаться более 36 млн раз в секунду, что открывает перспективы для цифровой передачи данных.

Факты

• Перовскитные лазеры впервые смогли работать на электричестве без внешнего источника света.

• Технология двух резонаторов оказалась эффективнее на порядок по сравнению с традиционными органическими системами.

• Основные проблемы стабильности связаны с миграцией ионов и джоулевым нагревом, но они решаемы инженерными методами.

Плюсы и минусы

Плюсы

• Низкий порог генерации.

• Высокая эффективность оптической связи.

• Возможность интеграции в фотонные чипы.

• Применимость в телекоммуникациях и носимых устройствах.

Минусы

• Пока ограниченная долговечность (1,8 часа работы).

• Чувствительность к электрическому перегреву.

• Сложность выращивания кристаллов для массового производства.

FAQ

❓ Чем уникален новый лазер?
Он работает на электричестве, а не на внешнем свете, что делает его практичным для реальных устройств.

❓ Почему важна двухполостная конструкция?
Она разделяет функции генерации и усиления, снижая нагрузку на материалы и увеличивая эффективность.

❓ Где такие лазеры будут использоваться?
В оптической передаче данных, интегрированных фотонных схемах, сенсорах и носимой электронике.

Двухрезонаторный перовскитный лазер — не просто очередная лабораторная демонстрация, а реальный шаг к созданию компактных и эффективных источников когерентного света. Несмотря на текущие ограничения по долговечности, технология открывает огромные перспективы для фотоники, телекоммуникаций и электроники будущего.