Інженери з Стенфордського університету і Національної лабораторії ім. Лоуренса в Берклі сконструювали напівпровідниковий лазер на квантових точках з рекордно низьким порогом генерації.

Основою пристрою служить вирощена за методом молекулярно-променевої епітаксії пластина з арсеніду галію, товщина якої становить 220 нм. У ході виготовлення в її обсязі були створені три шари квантових точок (фрагментів напівпровідника, обмежених у всіх трьох просторових вимірів) з арсеніду індію. Потім пластину перетворили на фотонний кристал – структуру з періодично змінюються показником заломлення. Чергування показників задавалося найпростішим способом: у заготівлі виконали круглі отвори, розташовані у вигляді впорядкованого масиву. «Ці отвори грають роль дзеркал, що відображають фотони назад до центральної області пластини», – пояснює учасниця дослідження Олена Вучковіч (Jelena Vučković).

Такий тип конструкції фахівцям вже відомий. Його достоїнствами називають надзвичайно низький поріг генерації, вимірюваний в нановат, здатність працювати в безперервному режимі при кімнатній температурі і простота об'єднання з хвилеводами на оптоелектронних інтегральних схемах. На жаль, все це відноситься до лазерів з непрактичною оптичним накачуванням; реалізувати ефективну електричну накачування в описаній схемі дуже важко.

Зверху розташована схема нового лазера, а знизу – мікрофотографія готового пристрою. Область власної електропровідності в центрі пластини звужується, щоб направити струм в активну область лазера. (Ілюстрація Jelena Vučković.)

Намагаючись вирішити проблему електричної накачування, автори спробували направити струм до активної області лазера з допомогою pin-переходу, контакту областей діркової (p) і електронній (n) провідності і власного (нелегованого, i) напівпровідника. Для цього в ділянки пластини, розташовані симетрично щодо центру, методом іонної імплантації ввели іони берилію і кремнію, створивши області р-і n-типу. Центральну частину пластини залишили недоторканою.

В експериментах вчені спостерігали лазерне випромінювання при температурі нижче 150 К. Поріг генерації знаходився на рівні 181 нА при 50 К та 287 нА при 150 К. За твердженням авторів, такі показники можна вважати рекордними для напівпровідникових лазерів з електричною накачуванням. Якщо врахувати, що прикладена напруга становило 1,15 В (50 К) та 1,03 В (150 К), можна розрахувати потужність, споживану на порозі генерації; вона виявиться рівною 208 і 296 НВТ.

Основним недоліком нового лазера стане його низька робоча температура. Г-жа Вучковіч, втім, сподівається, що оптимізація процесса виготовлення дозволить наблизити цю температуру до кімнатної.

Залежність зареєстрованої за допомогою спектрометра вихідний потужності лазера від струму накачування. Повна потужність лазерного випромінювання, за оцінкою авторів, повинна приблизно на три порядки перевищувати вказані значення. (Ілюстрація з журналу Nature Photonics.)

Залежність ширини лінії випромінювання лазера від струму накачування і спектр при струмі в 1 мкА (ілюстрація з журналу Nature Photonics).

За матеріалами: Стенфордського університету

Tweet

Заможні регіони: Для чого насправді Потрібні вибори?