Исследовательская группа Университета штата Аризона продемонстрировала полупроводниковый лазерный чип с абсолютно рекордной шириной перестройки излучения по длинам волн – от 500 до 700 нм. Полупроводниковые лазеры с широкой полосой перестройки дают исключительные возможности использования в различных приложениях, начиная со спектроскопии и телекоммуникаций и кончая микросхемами для биологических и химических детекторов.

Научный руководитель команды исследователей – профессор департамента электротехники Университета штата Аризона (Arizona State University) Кун-Женг Нинг (Cun-Zheng Ning). Результаты работы опубликованы в интернет издании журнала Nano Letters (Anlian Pan, Weichang Zhou, Eunice S. P. Leong, Ruibin Liu, Alan H. Chin, Bingsuo Zou and C. Z. Ning. Continuous Alloy-Composition Spatial Grading and Superbroad Wavelength-Tunable Nanowire Lasers on a Single Chip, – Nano Lett., 2009, 9 (2), pp 784–788; DOI: 10.1021/nl803456k).

Получение же генерации в широкой полосе всегда вызывало определенные трудности, связанные с ограничениями на решеточные несоответствия в стандартном подходе: эпитаксия особенно легко осуществляется, если разность постоянных решёток не превышает 10%. Это отражается на возможном диапазоне длин волн, поскольку длина волны излучения полупроводниковых лазеров определяется шириной запретной зоны используемого полупроводника. Лазеры с широким диапазоном перестройки нуждаются в сплавах полупроводниковых материалов с близкими перестраиваемыми запрещенными зонами, что, в свою очередь, вызывает проблемы с подбором состава таких сплавов, где все компоненты существенно ограничены несоответствием решеток.

Нанотехнологии дали возможность существенно расширить диапазон несоответствия решеток, а в отдельных случаях и снять это требование вообще. Это, в принципе, дает возможность выращивать на единой подложке широкий спектр изменяемых композиций полупроводниковых сплавов. Группа проф. Кун-Женг Нинга путем тщательного подбора составляющих, а также контроля температуры роста и других необходимых параметров процесса, успешно синтезировала нанопровода сплава типа CdSxSe1-x, где x непрерывно изменяется от одного края подложки до другого в диапазоне от 0 до 1.

Как результат, полупроводниковые кристалличекие пластины имеют непрерывную картину совмещенных запрещенных зон между 1,75 эВ и 2,5 эВ, что в терминах длин волн означает 500 и 700 нм. Пластина покрыта нанопроволочками, которые являются индивидуальными нанолазерами. Поскольку вся система выращена на одной подложке с упомянутыми выше свойствами, при оптической накачке, каждый участок пластины способен генерировать излучение с определенной длиной волны.

Столь широкая полоса длин волн лазерного излучения, генерируемого перестраиваемыми лазерами группы проф. Кун-Женг Нинга, предполагает множество современных приложений. Перестраиваемые лазеры являются жизненно важной частью любых спектроскопических исследований- от чисто исследовательских лабораторий до распознавания отпечатков пальцев в полевых условиях. Они могут быть использованы в качестве многоволновых источников инициирующего излучения во флуоресцентных системах биологических и химических датчиков. Они также могут быть использованы в коммуникационных системах для мультиплексирования и демультиплексирования сигнала. Множество других приложений станут актуальными, если удасться решить задачу управления такими лазерами электрическим путем.

Группа в настоящее время работает над расширением перестраиваемой полосы длин волн и некоторыми другими вопросами, включая подбор уникальных композиций полупроводниковых сплавов для приложений в определенных зонах оптического спектра. В своих работах аризонские исследователи широко сотрудничают с коллегами из Хунанского Университета (Hunan University), Китай. Исследования финансируются Научным Фондом Аризоны (Science Foundation of Arizona) и Офис научных исследований армии США (Army Research Office).

Евгений Биргер