12.03.2013

Нанолазеры заработали при комнатной температуре

Кун Чжэн Нин (Cun-Zheng Ning) из Университета штата Аризона (США) представил нанолазер, способный устойчиво работать при комнатной температуре. Как объясняет исследователь, до сих пор если и удавалось сделать лазеры с размерами меньше длины излучаемой волны, по сути, оптически они получали излучение от куда больших лазерных систем.

Такой проблемы нет у нанолазеров, приводимых в действие электричеством. Обычно это полупроводниковые нити в серебряной упаковке. Но и такие устройства функционировали лишь при охлаждении до чрезвычайно низких температур. Даже относительно успешные опыты, демонстрирующие работу при комнатной температуре, заканчивались быстрой деградацией нанолазеров из-за перегрева.

Если же вспомнить о стратегической цели подобной миниатюризации, напоминает учёный, то она заключается в создании микроэлектроники на оптической основе. И если её потребуется охлаждать до сверхнизких температур, на практике такие разработки мало кому будут нужны.

Созданный нанолазер представляет собой оптический резонатор в форме параллелепипеда со стороной в 1 591 нм. Его сердцевиной является прямоугольное ядро, состоящее из слоёв InP/InGaAs/InP с кремниево-азотным изолирующим слоем. Вся структура заключена в серебряную отражающую оболочку.

До сих пор изготовить столь миниатюрный оптический резонатор мешала невысокая точность электронно-лучевой литографии. На сей раз резист (оргстекло) для электронно-лучевой литографии был заменён на водород-силсесквиоксан (HSiO_1,5M, что и позволило добиться нужной точности изготовления. Другой сложностью было получение серебра с высокой однородностью. Методом осаждения с последующим отжигом дефектов решётки удалось создать серебро с размерами зерна, равными одному микрометру, что сравнимо с размерами нанолазера в целом.

Наконец, очень важным фактором в оптимизации нанолазеров был подбор нужной толщины кремний-азотного ограждающего слоя. Исследователи остановились на 30 нм, что, с одной стороны, позволяет резонатору иметь хорошие оптические качества, а с другой — не препятствует отводу тепла от него.

В итоге лазер продемонстрировал приличную эффективность при 294 К — иными словами, вполне комнатной температуре. Теоретически это открывает перспективы для создания «лазеров на чипе», интегрированных в микроэлектронику и способных значительно увеличить пропускную способность оптоволоконных каналов связи.

Как нетрудно догадаться, исследование финансировалось Управлением перспективных исследований Министерства обороны США (DARPA) и Отделом научных исследований ВВС США.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Optics Express (полный текст общедоступен).

Подготовлено по материалам Университета штата Аризона.

Александр Березин

Источники:

1. КОМПЬЮЛЕНТА