Создан полнофункциональный микроскопический полупроводниковый лазер

Инженеры из США и Нидерландов испытали микроскопический полупроводниковый лазер, способный работать при комнатной температуре.

Размеры оптического резонатора нового устройства составляют 1,15×1,39×1,70 мкм. Рекордно малыми эти значения назвать нельзя: существуют и более компактные образцы, использующие, к примеру, явление возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов — электромагнитных волн, которые возникают на границе раздела между диэлектриком и металлом и позволяют «разместить» колебания на оптической частоте в крошечном плазмонном резонаторе. Об одном таком лазере с оптической накачкой в виде полупроводникового наностержня, расположенного на атомарно ровной серебряной плёнке, мы рассказывали около полутора месяцев назад, отмечая, что он способен работать в непрерывном режиме при пониженной температуре.

В идеале оптическую накачку, сохраняя непрерывный режим генерации, следовало бы заменить электрической инжекцией, а рабочую температуру — довести до комнатной. Реализовать пункты такой программы по отдельности несложно, но друг с другом они согласуются плохо (непрерывная работа при электрической инжекции, скажем, ведёт к сильному нагреву). Это, однако, не помешало авторам создать удовлетворяющий всем трём пунктам миниатюрный лазер с резонатором объёмом в 0,42λ³ (λ = 1,55 мкм — длина волны излучения), описание которого было составлено ещё в середине 2011-го.

К недостаткам разработки годичной давности можно было отнести то, что ширина линии выдаваемого ею излучения достигала 3–4 нм. Этот изъян учёные и попытались устранить.

Структура миниатюрного лазера и микрофотографии его оголённого (сверху) и покрытого серебром полупроводникового «ядра». Масштабные полоски — 1 мкм. (Иллюстрация авторов работы.)

Новый вариант лазера имеет форму микроразмерного полупроводникового «столбика» сложной структуры, помещённого в серебряную оболочку. В ходе измерений при температуре в 294 К устройство обнаружило чёткий порог лазерной генерации и формировало излучение на длине волны в 1,591 мкм (легко рассчитать, что объём резонатора составлял 0,67λ³) с шириной линии всего в 0,5 нм. По утверждению авторов, столь высокое отношение длины волны к ширине линии, равное 3 182, не демонстрировал ни один из известных им микроскопических лазеров непрерывного действия, работающих в комнатных условиях.

Сейчас физики пытаются увеличить ресурс лазера, который ограничивается наблюдаемым при большом токе инжекции и комнатной температуре быстрым ухудшением качества поверхности арсенида индия-галлия InGaAs (см. рис. выше). Кроме того, они хотят оптимизировать конструкцию — подобрать оптимальную толщину диэлектрического слоя SiN. Увеличение его толщины, как показывают эксперименты, приводит к сокращению срока службы устройства, а уменьшение — к снижению упомянутого выше отношения длины волны к ширине линии.

Подготовлено по материалам arXiv.