Использование полупроводникового лазера с микрорезонаторами на основе нитрида кремния для генерации более коротких длин волн

Группа ученых под руководством профессора Камиллы Брес из лаборатории фотонных систем и доктора Марко Клементи из инженерной школы Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария) разработали лазерный источник, размером с чип, способный повысить производительность полупроводниковых лазеров и позволяющий генерировать более короткие длины волн.

Данное открытие имеет особое значение для телекоммуникаций, метрологии и других высокоточных областей применения.

Исследование демонстрирует успешную интеграцию полупроводниковых лазеров с фотонными схемами, содержащими микрорезонаторы. Результатом такой интеграции является устройство, излучающий равномерный и точный свет как в ближнем инфракрасном, так и в видимом диапазонах.

«Полупроводниковые лазеры широко применяются во многих современных технологиях: от производства смартфонов до использования в волоконно-оптических линиях связи. Однако, они имеют ограниченный потенциал из-за недостаточной когерентности и малой эффективности генерации света видимого диапазона», - говорит профессор Брес. – «Наша работа не только улучшает когерентность этих лазеров, но и смещает спектр их излучения в область видимого диапазона, что открывает возможность для новых областей применений».

Когерентность в данном случае относится к согласованности фаз световых волн, излучаемых лазером. Высокая когерентность означает, что световые волны синхронизированы, и излучаемый луч обладает достаточно точной длиной волны или частотой. Данное свойство важно для тех областей применения, где точность и стабильность лазерного луча имеет особое значение, например, для зондирования.

Повышенная точность и улучшенная функциональность

Подход исследовательской команды предполагает объединение коммерчески доступных полупроводниковых лазеров и КМОП-чипов из нитрида кремния. Благодаря особым свойствам материала, свет практически не поглощается и не выходит наружу.

Луч из полупроводникового лазера проходит по волноводам в микроскопические полости, и задерживается. Данные полости – микрокольцевые резонаторы – устроены таким образом, чтобы создавать резонанс на определенных частотах, избирательно усиливая требуемые длины волн и ослабляя другие, тем самым обеспечивая повышенную когерентность излучаемого света.

Другим важным достижением данной системы является способность удваивать частоту света, что позволяет перейти от света ближнего инфракрасного диапазону к видимому диапазону.

Частота света обратно пропорциональна его длине волны, а это означает, что при удвоении частоты длина волны уменьшается вдвое. Ближний инфракрасный спектр используется в телекоммуникации, а более высокие частоты необходимы в небольших и эффективных устройствах, где требуются более короткие длины волн, например, в атомных часах или медицинских приборах. 

Более короткие длины волн достигаются, когда свет в резонаторе подвергается полной оптической поляризации, которая вызывает так называемую нелинейность второго порядка в нитриде кремния. Нелинейность в данном случае означает, что наблюдается скачок по величине, возникающий при взаимодействии с материалом чипа, который не является прямо пропорциональным частоте света. 

Как правило, в нитриде кремния не возникает данный нелинейный эффект, однако, команде ученых удалось его вызвать: система использует преимущества мощного излучения внутри резонатора для создания электромагнитной волны, вызывающей нелинейные свойства материала.

Перспективные области применения 

«Мы не только совершенствуем существующие технологии, но и расширяем границы возможного с помощью полупроводниковых лазеров», - говорит Марко Клементи. – «Сокращая разрыв между телекоммуникациями и длинами волн видимого диапазона, мы открываем двери для новых областей применения, например, для биомедицинской визуализации или точных часовых приспособлений».

Одной из наиболее обещающих областей применений этой технологией является метрология, в частности разработка компактных атомных часов, а также создание микрооптических гироскопов.

«Это достижение закладывает основу для будущих технологий, часть из которых еще только будут разрабатываться», - отмечает Клементи.

Благодаря объединению сферы фотоники и материаловедения, потенциально возможно создание устройств с меньшими размерами и весом, а также снижение энергопотребления и затрат на производство лазеров.