ФИЗИКИ СОЗДАЛИ ЛАЗЕР, РАБОТАЮЩИЙ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

20 мая 2021, 11:25

Исследователи Алфёровского университета и НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге разработали микролазеры нового типа на основе квантовых точек. В отличие от аналогов, они обладают уникальной совокупностью параметров: при малых размерах способны работать при высоких температурах, передавать информацию на относительно высоких частотах и могут быть созданы на кремниевых подложках. Разработка позволит интегрировать оптические и электронные приборы и снизить стоимость производства инновационной микроэлектроники. Исследование опубликовано в Light: Science & Applications.

 

Сверхбыстрый обмен информацией может стать возможным благодаря внедрению  оптических технологий передачи данных в компьютеры или мобильные телефоны. Но существующие на сегодня лазеры обладают слишком большими размерами для подобных целей, а предложенные варианты микролазеров не обладают стабильностью при нагреве, так и как конструкция и способы изготовления слишком затратны для запуска их в массовое производство. 

 

Физики Алфёровского университета и Высшей школы экономики в  Санкт-Петербурге создали новый тип компактных микролазеров — микродисковые лазеры с активной областью на основе квантовых точек, которые могут быть созданы на основе кремниевых подложек. При этом лазерная гетероструктура отличается простотой конструкции, а изготовление таких лазеров не требует привлечения сложных и затратных технологических операций.

 

“Технология изготовления лазеров такого типа уже есть, но условия работы с таких прибором слишком сложные. И изготовить такой прибор крайне дорого. Нашей задачей было создать лазер, который был бы не слишком дорогостоящим при производстве, обладал небольшими размерами, а также мог быть совместим с кремнием, так как именно он лежит в основе современной микроэлектроники”, — объясняет Жуков Алексей Евгеньевич, доктор физ.-мат. наук, член-корреспондент РАН, профессор Алфёровского университета и НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге.

  

Для создания оптимального микролазера физики исследовали свойства различных полупроводниковых структур. Учёные обнаружили, что квантовые точки позволяют достичь низкой чувствительности к различным дефектам, которые в противном случае могли бы существенно ухудшить характеристики микролазеров вследствие их малых размеров, а также лазеров на подложках кремния. Сами микролазеры используют оптический микрорезонатор в форме микродиска. Такая форма позволяет достичь низкопороговой генерации при очень малых размерах, вплоть до нескольких микрометров, благодаря полному отражению света от боковых стенок, так что какие-либо сложные конструкции для такого микролазера не требуются. Лазеры на основе таких структур оказались способны передавать информацию на относительно высоких частотах (на сегодня продемонстрирована скорость передачи 10 Гбит/сек). При этом такие приборы способны работать без принудительного охлаждения. Также они могут быть перенесены на кремниевые структуры или даже быть изначально выращенными на их основе. Сохранение работоспособности при повышенных температурах — также одно из ключевых требований, предъявляемых к микролазеру, так как при изготовлении электроники их размещают близко к нагревающимся транзисторам. Данная разработка уже продемонстрировала лазерную генерацию при температуре до 110 градусов С.

 

 Полупроводниковые лазеры очень активно используются в индустрии: в лазерных принтерах и медицинских приборах, в системах специального назначения, в проекторах и т. д. Одна из основных областей применения — это системы связи.

 

“Благодаря быстрым полупроводниковым лазерам мы уже сейчас можем передавать информацию по оптоволокну на большие расстояния с высокой скоростью. За последние 4-5 лет наблюдается явный прогресс в области использования оптической связи и для обмена данными на коротких и сверхкоротких расстояниях”, — уверен Алексей Евгеньевич.

 

Исследования были выполнены в тесном сотрудничестве с физиками ФТИ им. Иоффе.  Также в исследование принимали участие коллеги из Политехнического университета, ИТМО и зарубежные учёные.