Фотоника на кристаллах кремния сделала еще один шаг вперед- разработчики из IBM продемонстрировали светоизлучающие нанотрубки (light-emitting nanotubes – LENs) с электрическим контролем спектра излучения, направления и эффективности излучения.

Разработчики из Корпоративного исследовательского центра компании IBM (IBM Corp.'s Thomas J. Watson Research Center) некоторое время назад разработали рекордные кремниевые световоды и LENs c эффективностью электролюминесценции, более высокой, чем у светоизлучающих диодов (LEDs). Теперь они поместили LEN внутрь оптического волновода с целью получения направленного излучения поверхности, селекции длин волн, а также потенциально возможной более высокой эффективности излучения.

Как и большинство светоизлучающих устройств, нанотрубки излучают свет во всех направлениях. Спектр их излучения был очень широк, а их эффективность была достаточно низка. Cпециалисты IBM переработали конструкцию LENs так, что излучение имеет достаточно узкую направленность и может быть соединено с оптическим фильтром или световодом. Спектр излучения контролируется с помощью оптического резонатора. Для повышения эффективности излучательной способности была разработана специальная теория, которая теперь будет реализована в конструкции.

При изготовлении оптического резонатора в LEN – с зеркалами сверху и снизу – длины волн излучения были ограничены желаемыми 1,55 мкм

Излучение из поверностного слоя было получено путем сочетания полевого транзистора на одиночной нанотрубке с парой металлических зеркал сверху и снизу от нанотрубки, которая ровно позиционирована на кремниевом чипе. Нижнее зеркало изготовлено из серебра, а верхнее, полупрозрачное зеркало, из золота. Свет из нанотрубке испускается в резонатор, наполненный прозрачным диэлектриком.

Расчеты показали, что расстояние между верхним и нижним зеркалами должно быть равно половине желаемой длины волны. В данном случае, длина волны определялась условием применения устройства в коммуникационных целях и была установлена как 1,55 мкм. Пучок излучения, отраженный от дна резонатора, попадает на верхнее (полупрозрачное зеркало ), где половина пучка излучается, а вторая половина отражается обратно, в сторону нижнего зеркала и усиливает излучение той длины волны, под которую настроен резонатор.

Таким образом, излучение из резонатора ограничено двумя зеркалами, и пучок излучения формирует стоячую волну между зеркалами, что усиливает излучение с длиной волны равной половине длины резонатора. Для формирования резонатора разработчики использовали литографию; применение резонатора существенно повысило однородность спектра выходящего излучения, ширина которого составляет только 10% ширины спектра излучения LEN без резонатора; при этом излучательная способность LEN (эффективность излучения) выросла на 400%.

Различные нанотрубки имеют слегка разные диаметры. В данном случае отмечен разброс диаметров в 2 нм. Как результат, разные нанотрубки имеют запрещенные зоны, отличающиеся по ширине, и соответственно слегка отличающиеся длины волн испущенного излучения. Тем не менее, заключение нанотрубки в резонатор позволяет ограничить спектр излучения и исключить нежелательные частоты, и, по мнению авторов, выравнивает частоту излучения (длину волны) для нанотрубок разного диаметра.

Исследователи IBM планируют в будущем повысить эффективность излучателей на нанотрубках путем снижения потерь на тепло, а также объединяя и выравнивая нанотрубки в сверхрешетки, что позволит изготавливать матрицы LENs в будущих кремниевых оптико-электронных чипах

Дополнительная информация:

• http://www.eetimes.com/…rticle.jhtml?…
• http://www.planetanalog.com/…rticle.jhtml?…

Евгений Биргер