Светодиоды, не превышающие диаметр человеческого волоса, вскоре смогут выполнять задачи, традиционно решаемые лазерами, от перемещения данных внутри серверных стоек до питания дисплеев нового поколения. Новое исследование, соавтором которого является аспирант Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Роарк Чао, указывает на практический путь развития этой технологии. Исследование опубликовано в журнале Optics Express.

«Речь идёт об устройствах, которые буквально размером с волосяной фолликул», — сказал Чао, изучающий электротехнику. «Если удастся разработать способ излучения света, эти микросветодиоды смогут начать заменять лазеры в системах передачи данных на короткие расстояния».

Данная работа опирается на многолетние достижения Калифорнийского университета в Санта-Барбаре в области исследований нитрида галлия и оптоэлектроники. Научными руководителями Чао являются Стивен П. ДенБаарс и Джон А. Шуллер, оба соавторы исследования, в котором также принимает участие лауреат Нобелевской премии Шуджи Накамура, чья новаторская работа по синим светодиодам произвела революцию в мировых технологиях освещения и отображения. Исследование проводилось в лабораториях групп ДенБаарса/Накамуры и Шуллера, где команды занимаются выращиванием материалов из нитрида галлия и наноразмерной фотоникой.

В исследовании представлена ​​новая конструкция микросветодиода (микроLED), которая улучшает как эффективность, так и направленность луча. За счет бокового размещения излучающей области с распределенными брэгговскими отражателями исследователи добились примерно на 20% большей оптической мощности при излучении со стороны воздуха, более чем на 130% большей мощности при излучении со стороны подложки и примерно на 30% меньшей расходимости луча по сравнению с эталонными устройствами.

Помимо более точного направления света, модернизированные микросветодиоды также обеспечивают существенно более высокую эффективность. Команда исследователей зафиксировала примерно на 35% более высокую электрическую эффективность и около 46% более высокую эффективность преобразования энергии в полезный свет по сравнению с традиционными микросветодиодными конструкциями.

Микросветодиоды (обычно шириной 100 микрон или меньше) становятся многообещающей альтернативой лазерам для оптических каналов связи ближнего действия , особенно в центрах обработки данных, где проблемы, связанные с тепловыделением, надежностью и энергопотреблением, остаются актуальными.

«Главная проблема с лазерами заключается в том, что у них начинают возникать проблемы с перегревом при относительно низких температурах», — сказал Чао. «Микросветодиоды могут работать при гораздо более высоких температурах без необходимости в сложном охлаждении. Это означает меньше замен, меньшие затраты и большую гибкость в центрах обработки данных».

По мере дальнейшего развития облачных вычислений и искусственного интеллекта центрам обработки данных необходимо быстро и эффективно передавать огромные объемы информации. Даже незначительные улучшения в источниках света могут оказать существенное экономическое воздействие.

«Преимущество микросветодиодов в том, что они предлагают множество решений в одном корпусе, — сказал Чао. — Они могут улучшить передачу данных, обеспечить более яркие и тонкие дисплеи и даже работать в таких областях, как дополненная или виртуальная реальность — и все это на основе одной и той же базовой технологии».

Чао начал свою работу в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре в 2020 году в качестве студента бакалавриата по электротехнике, после чего продолжил исследования в докторантуре. Он считает, что интегрированная исследовательская инфраструктура университета — от выращивания материалов до нанотехнологий и тестирования устройств — ускорила его работу.

«Здесь можно смоделировать конструкцию, вырастить кристалл, изготовить устройство и протестировать его — и все это на территории кампуса», — сказал Чао. «Именно такая скорость перехода от идеи к эксперименту делает это место таким мощным».