Лазер в прокрустовом ложе

Создание лазера на базе обычной кремниевой микросхемы — голубая мечта технологов.

Создание лазера на базе обычной кремниевой микросхемы — голубая мечта технологов. Это позволило бы резко удешевить оптоволоконное телекоммуникационное оборудование и широко использовать быстрые оптические шины данных даже внутри системного блока ПК.

К сожалению, электронная структура кремния такова, что он очень плохо излучает свет. Поэтому сегодня для преобразования электрических сигналов в оптические приходится использовать лазеры на основе арсенида галлия, фосфида индия или других полупроводников сложного состава, которые гораздо дороже кремния и требуют отдельного производства. И все многочисленные попытки заставить кремний излучать лучше, изготовив на его основе нанокристаллы, суперрешетки с оксидом кремния, поверхностные структуры и другие конструкции, пока не привели к успеху.

В прошлом году ученые из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе впервые продемонстрировали, что восьмиметровое волокно из кремния можно превратить в лазер с оптической накачкой на эффекте Рамана (он же — эффект комбинационного рассеяния, изменение частоты света при взаимодействии фотонов с молекулами какого-то материала, переходящими при этом на другой колебательный энергетический уровень). Энергия в волокно «закачивается» другим лазером, с более короткой длиной волны, фотоны взаимодействуют с кристаллической решеткой кремния, и волокно, играющее роль лазерного резонатора, эффективно излучает инфракрасный свет. Частота излучаемого света меньше частоты света накачки на резонансную частоту колебаний кристаллической решетки. Разумеется, получившаяся громоздкая конструкция годится лишь для лабораторных исследований. Однако работа в этом направлении продолжается, и в феврале та же научная группа опубликовала статью, в которой описывается прямая электронная модуляция излучения кремниевого лазера, необходимая для передачи данных.

Несмотря на внушительные габариты лабораторной установки, сама идея кремниевого лазера на рамановском рассеянии оказалась весьма плодотворной. В начале года в исследовательских центрах корпорации Intel в Санта-Кларе и Иерусалиме с помощью стандартного процесса фотолитографии был создан первый кремниевый лазер в чипе. Экспериментаторам удалось заменить длинное волокно S-образным кремниевым оптическим волноводом, вытравленным непосредственно на кристалле. Сечение волновода — около 2 кв. мкм, а длина — 5 см. Оптическая накачка с длиной волны 1,536 мкм с эффективностью почти десять процентов преобразуется в инфракрасное лазерное излучение с длиной волны 1,669 мкм и мощностью до 40 мкВт. К сожалению, этот лазер пока не может излучать дольше ста наносекунд из-за эффекта двухфотонного поглощения.

Разумеется, новая конструкция еще слишком далека от практических приложений, но прогресс в миниатюризации налицо, и, возможно, ученым со временем все-таки удастся загнать рамановский лазер в прокрустово ложе кремниевого чипа. Однако необходимость оптической накачки внешним лазером большей мощности сводит почти на нет технологические преимущества кремниевых лазеров этого типа.

Возможно, один из путей решения этой проблемы уже нащупала команда исследователей из Лаборатории Белла, Гарвардского университета и Техасского университета A&M. Там создан эффективный рамановский лазер принципиально иного типа с электронной накачкой. Правда, он не кремниевый, а изготовлен из гетероструктур арсенида индия-галлия и арсенида индия-алюминия. Но важна сама идея; может быть, ее удастся и в кремнии как-то реализовать.

В новом лазере при рамановском рассеянии вместо колебаний кристаллической решетки материала используются электронные переходы между квантовыми ямами, «изготовленными» из чередующихся тонких слоев полупроводников. Если частоту колебаний решетки определенного материала заметно изменить невозможно, то глубину квантовых ям, а значит, и энергию переходов между ними, можно легко подобрать, меняя толщину полупроводниковых слоев.

В новом лазере удается достичь гораздо большего усиления излучения на единицу длины резонатора, чем в традиционном рамановском. Такой квантовый генератор уже не нуждается во внешней накачке, поскольку и основное излучение возбуждается электрическим током. Более того, у лазеров этого типа эффективность достигает тридцати процентов, низок порог генерации, а длина волны инфракрасного излучения может быть почти любой. Авторы этой работы уверены, что уникальные свойства их лазера приведут к появлению целого нового класса компактных и эффективных источников излучения в ближней и дальней инфракрасной области спектра.

Пока трудно сказать, какие физические эффекты, научные идеи, технологические разработки или их комбинации позволят создать лазер в кремниевом чипе. И удастся ли их вообще довести до конкурентоспособного массового производства — уж больно сложны и изощренны новые полупроводниковые лазеры. Но учитывая многочисленность работающих в этом направлении научных групп, надежда на успех есть.