Ученые из США предложили новое, интегрированное в кремниевую подложку наноустройство, которое позволяет генерировать лазерный импульс при комнатной температуре. В будущем устройство может использоваться в качестве источника видимого излучения для приложений кремниевой фотоники.

Полупроводниковые лазеры – это ключевая технология для многих сфер, требующих когерентного излучения. А наноразмерные полупроводниковые лазеры дают возможность интеграции оптоэлектронных компонент в кремниевые электронные схемы, например, для оптической коммуникации между блоками или других применений, в частности, медицинской диагностики. Для подобной интеграции кремний является хорошим материалом подложки, на которой можно разместить необходимые волноводы и прочие наноструктуры, однако до сих пор ученые испытывали сложности с созданием источника лазерного излучения на его поверхности.

Рис. 1. Схематическое изображение разработанного полупроводникового нанолазера.

Кремний является непрямопереходным полупроводником, в котором переход электрона из зоны проводимости в валентную зону сопровождается потерей импульса. Т.е., по сути, он не может излучать свет с полезной длиной волны.

Но создание лазерных источников на монолитном кремнии представляет для науки большой интерес.

На сегодняшний день предложено множество способов создать полупроводниковый лазер наноразмера на подложке из кремния. Один из способов обойти описанную выше проблему заключается в использовании нанопровода для генерации излучения. Но низкий уровень отражений на границе полупроводника и воздуха требует создания нанопровода крайне большой длины, чтобы было возможным вынужденное излучение.

Другие способы подразумевают объединение полупроводниковых нанопроводов с созданными при помощи литографии полостями, представляющими собой одномерные фотонные кристаллы.

К сожалению, все эти способы упираются в ограничение, связанное с необходимостью переноса нанопроводов на поверхность кремния перед тем, как на нанопроводах будут формироваться фотонные кристаллы и другие структуры.

Принципиально новая технология была недавно предложена учеными из Center for Nanoscale Photonics and Spintronics (Department of Electrical Engineering and Computer Science, University of Michigan, США). Исследовательская группа разработала монолитный источник лазерного излучения на базе двумерного фотонного кристалла, созданного на нанопроводе из нитрида галлия.

Важная особенность методики заключалась в том, что нанопровод не переносился на поверхность кремния, а выращивался непосредственно на ней при тщательном контроле условий роста. Выращенный на поверхности провод располагался в центре образца из диоксида титана. Чтобы свести к минимуму оптические потери в слое диоксиде титана на поверхности кремния, между ними был добавлен дополнительный структурный слой материала с низким значением показателя преломления.

Измерения, проведенные в рамках эксперимента, показали, что предложенная учеными техника производства обеспечила высокое качество наноструктур. Это позволило добиться излучения когерентного потока фотонов с длиной волны 371,3 нм (при минимальной ширине спектральной полосы, равной 0,5 нм).

В качестве следующего этапа работы ученые планируют исследовать возможные применения созданного устройства, в частности, в качестве источника лазерного излучения для приложений кремниевой фотоники.