Команда исследователей под руководством Александра Спотта, работающего в известном Калифорнийском университете в Санта-Барбаре осуществила разработку первого в мире кремниевого квантового каскадного лазера. Данный тип лазера обладает широким спектром потенциальных видов применений, охватывающих такие области, как химическая спектроскопия, детекция различных химических соединений, космическая коммуникация и астрономические исследования. Важной особенностью данной разработки является реальная возможность непосредственной интеграции лазера на одном кристалле полупроводникового чипа. Такой подход существенно повышает эффективность и компактность по сравнению с традиционными технологиями, требующими введения луча света от внешнего лазера на кристалл фотонно-электронного чипа.
Следует отметить, что природные характеристики кремния, а именно ширина его запрещенной зоны, ранее не позволяли создавать лазерные источники света на его основе. Обычно для изготовления лазерных диодов используются полупроводники III-V группы, такие 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”.
