Ученые Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» в Санкт-Петербурге разработали микролазеры диаметром 5–8 микрометров. Они работают при комнатной температуре, не требуют охлаждения и могут встраиваться в микросхемы. В создании микролазеров участвовали также специалисты из Научно-технологического центра микроэлектроники и субмикронных гетероструктур РАН, Института физики им. Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси и Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН. Исследование опубликовано в «Письмах в Журнал технической физики».
«Микролазеры очень компактные, а потому имеют большие перспективы применения в самых разных устройствах. Это и фотонные чипы для передачи информации, и высокочувствительные сенсоры для обнаружения каких-нибудь газов, и устройства типа “лаборатория на чипе”, когда на маленьком чипе можно разместить функционал целой лаборатории, например, для регулярного анализа крови при помощи микропроб», — рассказывает старший научный сотрудник Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге Эдуард Ильмирович Моисеев.
Разработка микролазеров размером 5—8 микрометров, что сопоставимо с диаметром эритроцита — задача непростая, требует сложных расчетов и высокой точности производства. В отличие от простых источников света, лазеры усиливают излучение внутри резонатора — структуры, в которой свет многократно отражается и усиливается. И чем компактнее лазер, тем сложнее удержать свет внутри него так, чтобы он многократно отражался, усиливался и не терял энергию, что важно для его работы.
Спектр фотолюминесценции микролазера
Источник фото: пресс-служба НИУ ВШЭ
«Излучение очень сложно удержать в таком маленьком объеме как микролазер, и для этого мы применили ряд решений. Одно из них — это эффект шепчущей галереи. Суть его такова: с давних времен люди заметили, что в соборах или храмах слова, негромко сказанные у одной стены, отчетливо слышны у стены в другом конце здания. То есть акустические колебания распространяются с малыми потерями по определенным траекториям — вдоль вогнутых стен здания. В случае с оптикой данный эффект позволяет свету многократно отражаться внутри микролазера, благодаря чему потери минимизируются», — объясняет Э.И. Моисеев.
Для зарождения света в микролазерах используют кристаллы, причем они должны быть очень высокого качества. Иначе микроскопические дефекты могут снизить эффективность генерации света. Исследователи использовали слоистую кристаллическую структуру из соединений индия, галлия, азота и алюминия, выращенную на кремниевой подложке.
«Когда мы говорим «кристалл», мы подразумеваем материал с упорядоченным расположением атомов в пространстве с минимальным количеством дефектов. Нам же нужно было создать кристаллическую структуру из большого количества слоев различных соединений. Для этого использовался метод газофазной эпитаксии, который позволил создать условия, при которых каждый атом располагался в заданном месте кристаллической решетки», — поясняет Э.И. Моисеев.
Кроме того ученые добавили ступенчатый буферный слой для компенсации механического напряжения между кремнием и слоями. Он также снижает утечки излучения в подложку, которые все равно происходят и могут повлиять на работу прибора. Стоит отметить, что данный микролазер функционирует при комнатной температуре и не нуждается в системах охлаждения.
В настоящее время ученые продолжают исследования с целью создать микролазер с рекордными характеристиками.
«Мы привыкли работать в системе материалов таких, как алюминий, галлий, мышьяк, индий. То есть, это излучение в инфракрасном диапазоне от 1000 до 1300 нанометров. Теперь мы хотим освоить и коротковолновую область спектра, когда длина волны микролазера будет 360 нанометров, а потом и 260 нанометров. И над этим мы сейчас активно работаем», — рассказал Э.И. Моисеев.
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ.
Фото превью: vershininphoto / ru.123rf.com.
