Al contrario, il miglioramento dell’efficienza dei laser a emissione superficiale a cavità verticale (VCSEL) è stato più lento. Da quando nel 2009 è stato registrato un PCE massimo del 62%, non si sono verificati progressi significativi, evidenziando un chiaro divario prestazionale tra VCSEL e EEL. Essendo un laser a microcavità, ottenere una conversione ad alta efficienza nel campo della fotonica è sempre stata una sfida per VCSEL.

A causa del loro basso consumo energetico ed efficienza, le prime applicazioni dei VCSEL si concentravano principalmente sull'elettronica di consumo su piccola scala e a basso consumo e sulla comunicazione a breve distanza nei data center. Negli ultimi anni, con i progressi nella tecnologia intelligente, i VCSEL a basso consumo sono diventati un chip di sorgente luminosa fondamentale per i sistemi di rilevamento intelligente, trovando ampia applicazione nel riconoscimento facciale e nel rilevamento a breve distanza con notevole successo.

Recentemente, il rapido sviluppo della tecnologia avanzata dell’intelligenza artificiale ha rivelato l’immenso potenziale dei VCSEL in campi quali il rilevamento, la comunicazione, gli orologi atomici, l’informatica ottica/quantistica, i laser topologici e la diagnostica medica. In particolare, la domanda di tecnologie di rilevamento a lungo raggio nella guida autonoma, la potenza di calcolo dell'intelligenza artificiale nei centri di elaborazione dati ad alta velocità e la crescita dei VCSEL nelle applicazioni di tecnologia intelligente e quantistica sottolineano l'importanza del consumo di energia come questione fondamentale.

L'efficienza energetica dei VCSEL ha un impatto significativo sul consumo energetico dei dispositivi mobili e dei data center. Pertanto, lo sviluppo di VCSEL ad altissima efficienza è fondamentale per supportare lo sviluppo di dispositivi finali nella futura era intelligente e svolge un ruolo importante nel promuovere lo sviluppo della fotonica dell'energia verde.

In un nuovo articolo pubblicato su Light:Science &Applications , un team di scienziati, guidato dal professor Jun Wang del College of Electronics and Information Engineering, Sichuan University, Cina e Suzhou Everbright Photonics Co., Ltd, Suzhou, Cina, e colleghi, hanno raggiunto una svolta nell'efficienza VCSEL utilizzando sistemi attivi a cascata multigiunzione area tecnologica.

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Utilizzando giunzioni tunnel inverse per realizzare il collegamento in cascata delle regioni attive, il volume di guadagno viene aumentato. Questa strategia di progettazione consente ai portatori di sottoporsi a molteplici processi di emissione stimolata, non solo migliorando l'efficienza quantica differenziale del dispositivo ma anche mantenendo una corrente di soglia inferiore.

Di conseguenza, negli ultimi anni, un numero significativo di ricercatori ha sfruttato i VCSEL multi-giunzione per ottenere una crescita esponenziale della potenza, rendendo i VCSEL utilizzabili come sorgenti laser per LiDAR nei veicoli autonomi. Tuttavia, il vantaggio potenziale più significativo dei VCSEL multi-giunzione dovrebbe essere il notevole miglioramento dell'efficienza.

Pertanto, viene condotto uno studio sistematico che combina simulazioni teoriche con esperimenti per studiare i vantaggi dei VCSEL multi-giunzione nell'efficienza di conversione elettro-ottica.

Il team ha simulato le proprietà di scalabilità dei VCSEL a più giunzioni e le ha confrontate con quelle dei VCSEL a giunzione singola. Le simulazioni numeriche indicano che un VCSEL a 20 giunzioni può superare un'efficienza di conversione elettro-ottica dell'88% in condizioni di temperatura ambiente.

Sperimentalmente, un VCSEL a 15 giunzioni ha raggiunto un'efficienza di conversione elettro-ottica del 74% a temperatura ambiente, con un'efficienza di pendenza di 15,6 W/A, corrispondente a un'efficienza quantica differenziale di oltre il 1100%. I ricercatori ritengono che questa efficienza di conversione elettro-ottica sia la più alta mai riportata nel campo VCSEL fino ad oggi, e questa efficienza quantica differenziale sia la più alta mai riportata nei laser a semiconduttore.

Come ha affermato il recensore, "Questo rappresenta davvero un passo avanti significativo in un campo che è rimasto stagnante per molto tempo."

Gli autori dello studio scrivono:"In futuro, prevediamo anche di esplorare ed espandere le applicazioni dei VCSEL multi-giunzione ad alta efficienza e alta potenza nel campo delle comunicazioni.

"Questa ricerca non solo fornisce preziose prove teoriche e sperimentali per l'ulteriore ottimizzazione e applicazione dei VCSEL, ma offre anche un prezioso riferimento per l'ulteriore sviluppo e applicazione di laser a semiconduttore ad alto PCE. Si prevede che avrà un impatto significativo sulla fotonica e sui laser a energia verde fisica."