人間の髪の毛ほどの細さを持つLEDは、サーバーラック内のデータ伝送から次世代ディスプレイの電源供給まで、従来レーザーが担ってきた様々なタスクを、間もなく代替できるようになるかもしれない。カリフォルニア大学サンタバーバラ校の博士課程学生であるロアーク・チャオ氏が共同執筆した新たな研究は、実現可能な道筋を示している。この研究は、学術誌『光学 手紙』に掲載された。
電気工学を専攻するロアーク・チャオ氏は、「私たちが話しているのは、毛包ほどの大きさしかないデバイスのことです。光の放出方法を設計できれば、これらの小型LEDは近距離データ通信用のレーザーに取って代わるようになるかもしれません」と述べた。
本研究は、効率とビーム指向性を同時に向上させる、小型発光ダイオードの斬新な設計を実証するものである。研究者らは、発光領域を横方向に分布ブラッグ反射器で囲むことで、基準デバイスと比較して、空気側からの出力パワーを約20%、基板側からの出力パワーを130%以上向上させると同時に、ビーム発散角を約30%低減することに成功した。
再設計されたマイクロLEDは、より精密な光誘導を実現するだけでなく、効率も大幅に向上させている。研究チームは、従来のマイクロLED設計と比較して、電気効率が約35%、プラグ効率が約46%向上したことを確認した。つまり、これらのデバイスは、電源コンセントから取り込んだ電気エネルギーをより多く、使用可能な光に変換できるということだ。
マイクロLED（通常、幅は100マイクロメートル以下）は、特に熱管理、信頼性、エネルギー消費が依然として課題となっているデータセンターにおいて、短距離光リンクにおけるレーザーの有望な代替手段として台頭しつつある。
レーザーの大きな問題点は、比較的低い温度で熱問題が発生し始めることだと、ロアーク・チャオ氏は述べています。マイクロLEDは、複雑な冷却装置を必要とせずに、はるかに高い温度で駆動できます。これは、交換頻度の減少、コスト削減、データセンターにおける柔軟性の向上を意味します。
クラウドコンピューティングと人工知能の継続的な拡大に伴い、データセンターは膨大な量の情報を迅速かつ効率的に伝送する必要がある。光源のわずかな改良でさえ、経済に大きな影響を与える可能性がある。
「マイクロLEDの魅力は、1つのパッケージで複数のソリューションを提供できる点です」とロアーク・チャオ氏は述べています。「データ通信の改善、より明るく薄型のディスプレイの実現、さらには拡張現実や仮想現実といった分野での利用も可能で、これらすべてが同じ基盤技術に基づいています。」
ロアーク・チャオは2020年にカリフォルニア大学サンタバーバラ校に電気工学の学部生として入学し、その後博士課程に進みました。彼は、材料成長からナノ加工、デバイス試験に至るまで、大学の包括的な研究インフラが、研究の加速的なペースにつながっていると考えています。
「キャンパス内で、設計のシミュレーション、結晶の成長、デバイスの製造、そしてテストまで全て行うことができます」とロアーク・チャオは語る。「構想から実験までのスピードこそが、この場所の大きな強みなのです。」
