Кремний уже достаточно давно является основой множества технологий, начиная от солнечных батарей и заканчивая практически всеми электронными устройствами. Но лазер, одно из наиболее перспективных электронно-оптических устройств, долго оставался компонентом, который не удавалось изготовить на основе кремния. Но не так давно группа исследователей все же нашла способ воплощения в кремнии крошечного лазера, что открывает возможности интеграции фотонных элементов на кремниевые чипы, что, в свою очередь, позволит создать фотонные и электронно-фотонные микропроцессоры для компьютеров следующих поколений.
За последние годы ученые разработали целый ряд видов реализации крошечных лазеров, которые можно интегрировать на кремниевые чипы. Но все эти лазеры были изготовлены из сплава олова-германия, арсенида галлия и других соединений, что вызывает ряд определенных трудностей и делает нецелесообразным процесс массового производства этих элементов.
Для создания кремниевого миниатюрного лазера потребовались усилия достаточно многочисленной группы ученых, в которую входили ученые из гонконгского университета Науки и технологий (Hong Kong University of Science and Technology), Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, Национальной лаборатории Сандиа и Гарвардского университета. Первым шагом, которые сделали ученые, стала методика выращивания кремния, при которой количество дефектов в кристаллической решетке этого материала было сведено к минимуму. Это было достигнуто за счет создания на поверхности монокристаллической подложки кремниевых наноструктур, процесс выращивания которых позволил минимизировать количество дефектов, что, в свою очередь, гарантирует надежное удержание электронов в пределах создаваемых шаблонов квантовых точек.
Созданные кремниевые нанолазеры используют сейчас оптическую накачку, процесс, в котором свет применяется для перевода электронов из более низкого в более высокое энергетическое состояние. И во время обратного перехода электрона в более низкое состояние он излучает фотон света с определенными характеристиками, а все устройство в целом действует как микроскопический лазер.
Обычные полупроводниковые лазеры, используемые в электронной технике, имеют размеры минимум 1 на 1 миллиметра. При дальнейшем уменьшении размеров кристалла лазера в нем возникают существенные энергетические потери, связанные с несоответствием размеров кристалла (волновода) и длины волны излучаемого света. Новые лазеры имеют размер порядка одного микрона, они меньше обычных лазеров в 1000 раз, а их площадь меньше площади обычных лазеров в миллион раз. Такое сокращение размеров лазера стало возможным за счет использования так называемого эффекта шепчущей галереи, эффекта распространения акустических волн вдоль внутренней поверхности круглой или сферической структуры. Только в данном случае этот эффект был применен по отношению к волнам света.
Следующим шагом, который намерены сделать ученые станет создание аналогичного лазера с электрической накачкой. Это позволит изготавливать чипы с такими лазерами при помощи традиционных методов производства полупроводниковых чипов и микроэлектроники. А это, в свою очередь позволит создать быстродействующие микропроцессоры, внутри которых данные будут передаваться не при помощи электрических сигналов, а при помощи фотонов света.
Источник:
