Группа исследователей, возглавляемая Александром Споттом
(Alexander Spott) из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, создала
первый в своем роде квантовый каскадный лазер из кремния. Подобное устройство
имеет множество областей его применения, начиная от химической спектроскопии и
детектирования различных химических соединений до коммуникаций в открытом
космическом пространстве и астрономии. Кроме этого, интеграция лазеров прямо на
кристаллы полупроводниковых чипов гораздо эффективней и компактней, нежели
технологии введения на кристалл фотонно-электронного чипа луча света от
внешнего лазера.
Следует отметить, что значение ширины запрещенной зоны
не позволяет изготавливать лазерные источники света непосредственно из кремния.
Обычно, лазерные диоды изготавливают из полупроводников III-V группы, таких,
как арсенид галлия (GaAs) и фосфид индия (InP). Заключение слоя кремния между
слоями полупроводников III-V группы позволяет создать кремниевый лазер, но
длина волны света такого лазера не превышает 2 микрометров на счет влияния
целого ряда ограничения. Но для практического использования подобных лазеров
необходимо, чтобы они могли излучать более длинноволновый инфракрасный свет, и
ученые обратили свое внимание на так называемый квантовый каскадный лазер.
Создание квантового каскадного лазера является
достаточно сложной задачей, а в данном случае она еще усложнилась тем, что
диоксид кремния активно поглощает свет в середине инфракрасного диапазона.
"Это означает, что нам необходимо было создать несколько кремниевых
лазеров различного типа, соединенных между собой кремниевым волноводом" -
объясняет Александр Спотт - "Для этого мы разработали волновод специального
типа SONOI (silicon-on-nitride-on-insulator), в котором присутствует слой
нитрида кремния, нанесенный на структуру основного кремниевого волновода".
Следующим шагом, который намерены сделать ученые, станет
оптимизация структуры созданного ими каскадного квантового лазера с целью
улучшения параметров его теплоотдачи, что, в свою очередь, позволит ему
работать не в импульсном режиме, а в режиме постоянного излучения.
"Кроме
этого, изменения в структуре лазера должны поднять его эффективность и уровень
мощности" - рассказывает Александр Спотт, - "Эти шаги приблизят нас
вплотную к созданию устройств, работающих в середине инфракрасного диапазона,
таких, как спектрометры и газовые анализаторы, интегрированных прямо на
поверхность оптоэлектронных кремниевых чипов. Это позволит уменьшить стоимость
таких устройств и минимизировать их до того уровня, когда их можно даже будет
встраивать в смартфоны, планшеты и ноутбуки в случае такой необходимости".
