Команде ученых под руководством Александера Спотта (Alexander Spott) из Калифорнийского университета в Санта-Барбара удалось преодолеть серьёзные технологические трудности и сконструировать первый в мире квантово-каскадный лазер (QCL) на кремнии. Такая интеграция гораздо предпочтительнее использования внешнего лазера, поскольку даёт более эффективные и компактные решения для широкого круга практических приложений, от космических лазерных коммуникаций и астрономии, до газовых сенсоров и спектроскопии химических связей.

Непрямая запрещённая зона кремния затрудняет создание лазера, но его можно реализовать из материалов групп III-V, таких как InP или GaAs. Ранее та же группа смогла интегрировать в кремний лазерный кванторазмерный диод, использующий для накачки слой III-V и работающий на длине волны 2 мкм.

Увеличению длины волны, которое открыло бы гораздо больше приложений, мешали ограничения лазерных диодов, поэтому ученые сосредоточили внимание на квантово-каскадных лазерах. Они излучают при переходе электронов между слоями гетероструктуры, а не при преодолении запрещенной зоны, как обычные полупроводниковые лазеры.

При этом исследователи столкнулись с дополнительной проблемой — ростом поглощения в двуокиси кремния на более длинных волнах (в среднем ИК-диапазоне). Чтобы её решить, пришлось создать новый тип кремниевого волновода. Он получил название SONOI (silicon-on-nitride-on-insulator) из-за использования слоя нитрида кремния, расположенного между волноводом и двуокисью кремния.

Разработчики QCL рассчитывают улучшить свою конструкцию, добиться увеличения мощности и эффективности, снижения тепловых потерь. Это приблизит их к конечной цели — полностью интегрированным на чипе, недорогим и практичным лазерам среднего ИК-диапазона, пригодным для крупномасштабного производства.

Презентация результатов этой работы пройдёт в начале июня на конференции CLEO 2016 (Conference on Lasers and Electro-Optics) в Сан-Хосе (штат Калифорния).