Физики разработали и экспериментально проверили лазер на основе гетероструктуры германий-олово с мощным электрическим возбуждением. Ширина самого узкого пика генерации составила 0,13 нанометра, а порог генерации – 598 ампер на квадратный сантиметр при температуре 10 кельвин. Сплав германий-олово хорошо интегрируется с кремниевой технологией, что делает такой полупроводниковый лазер перспективным источником света для интеграционных схем. Результаты исследования опубликованы в журнале Optica. Любой лазер состоит из трех основных компонентов: источника накачки, активной среды и резонатора. Источник накачки обеспечивает энергию, необходимую атомам активной среды для перехода в возбужденное состояние и последующего испускания фотонов. Резонатор, в простейшем случае представляющий собой два зеркала, позволяет фотонам многократно проходить через активную среду, вызывая испускание фотонов другими атомами. Одно из зеркал резонатора делается частично прозрачным для выхода лазерного излучения.
Фото: Shui-Qing Yu et al./ Optica
Если активная среда лазера — полупроводник, то такой источник излучения можно накачивать электрическим током. При подаче напряжения электроны и дырки полупроводника приходят в движение. Они встречаются в активной зоне и могут объединиться (рекомбинировать) с испусканием фотона. Чем больше электронов и дырок находится в активной зоне, тем вероятнее они будут рекомбинировать и тем чаще будут излучаться фотоны. Чтобы накапливать электроны и дырки, активная зона должна представлять собой подобие ямы — частицы сваливаются в нее, а выбраться обратно не могут. Создание структуры с такой активной зоной может в разы увеличить эффективность полупроводниковых лазеров.
В 2016 году группа ученых под руководством профессора Шуй-Цин Юй (Shui-Qing Yu) из университета Арканзаса продемонстрировала миниатюрный полупроводниковый лазер с оптической накачкой. В качестве активной зоны физики использовали гетероструктуру из гемания и сплава германия с оловом. В новой работе физики решили упростить схему и увеличить эффективность генерации излучения. Для этого они использовали электрическую накачку и модифицировали активную среду.
Схематичное изображение структуры в разрезе и схема ее энергетических зон при температуре 77 К. Shui-Qing Yu et al./ Optica
Изображение структуры в просвечивающем микроскопе. Shui-Qing Yu et al./ Optica
В качестве резонатора физики использовали волновод гребенчатого типа, который изготовили методом жидкостного травления. В работе исследовались волноводы разных длин — 0,3, 0,5, 0,8 и 1,7 нанометров. После добавления контактных площадок, структуру помещали в криостат для дальнейших измерений при низких температурах.
(a) Зависимость пиковой мощности от плотности тока накачки для волновода длиной 0,8 миллиметра при разных температурах, (b) для разных длин волноводов при 77 кельвинах, (c) порог генерации для всех длин волноводов, (d) зависимость тока от напряжения при разных температурах для волновода 0,8 миллиметра. Shui-Qing Yu et al./ Optica
Помимо этого, прием с легированием верхнего слоя структуры позволяет уменьшить пороговую плотность тока (минимальное значение, необходимое для генерации лазерного излучения) и получить мощность выше при меньшей энергии накачки. Физики получили зависимости мощности излучения лазера от температуры и длины волновода. Они показали, что увеличение температуры приводит к снижению пиковой мощности при той же плотности тока. В то же время, чем длиннее волновод, тем больше пиковая мощность при одинаковых плотностях тока и меньше порог генерации лазера. Скорее всего это связано с тем, что для длинных волноводов доля потерь на зеркалах меньше, чем для коротких.
(a) – (e) Спектры лазерного излучения для разных плотностей тока при разных температурах (вставки – в логарифмическом масштабе), (f) спектры, черный – в плохом разрешении, синий – в хорошем. Shui-Qing Yu et al./ Optica
Оказалось, что такой лазер может генерировать излучение с мощностью 2,7 милливатта при температуре 10 кельвин, квантовая эффективность при этом составляет всего 0,3 процента. В будущих исследованиях авторы планируют разными методами улучшать параметры лазера. Например, за счет увеличения содержания олова в сплаве можно добиться увеличения эффективности накачки, а снижение уровней легирования позволит минимизировать поглощение свободных носителей.
В настоящее время интегральная фотоника и ее приложения развиваются очень активно. Интерес к ней связан с возможностью создания компактных и дешевых устройств. Так, американские физики смогли собрать ускоритель частиц на небольшом чипе. А ученые из Массачусетского технологического института изготовили самый крупный на сегодняшний день квантовый вычислитель на интегральной схеме.
Автор: Оксана Борзенкова
Источник: https://nplus1.ru/
