Российские учёные создали микролазер на сапфировой основе для ультрафиолетовых чипов

Исследовательская группа из России, Беларуси и Китая создала микролазеры на сапфировой подложке, способные излучать ультрафиолетовые лучи при комнатной температуре. Размеры этих устройств составляют около двух микрометров, что сопоставимо с размерами бактерии.

По информации пресс-службы Высшей школы экономики в Москве, данные лазеры могут применяться в сенсорах, оптических чипах и коммуникационных устройствах. Главный научный сотрудник Международной лаборатории квантовой оптической электроники Высшей школы экономики Эдуард Моисеев отметил, что сапфир широко используется в промышленности и совместим с привычными методами микроэлектроники, такими как выращивание слоёв, формирование рисунков и травление элементов, что открывает возможности для создания интегрированных оптических чипов для спектрального анализа, биосенсоров и систем связи в ультрафиолетовом диапазоне.

Команда учёных на протяжении многих лет работает над разработкой сверхминиатюрных лазеров, которые могут быть интегрированы в интегральные схемы и микроскопические устройства размером с эритроцит. Реализация этой задачи представляет значительную сложность, поскольку уменьшение размера лазера приводит к быстрому возрастанию проблем с удержанием света внутри резонатора, который служит структурой для многократного отражения и усиления света.

Недавно учёные обнаружили, что данную проблему можно решить, используя эффект так называемой «шепчущей галереи» (whispering gallery), а также специальный изолирующий слой, состоящий из градиентного состава нитрида алюминия и нитрида алюминия с галлием. Этот промежуточный слой компенсирует механические напряжения между подложкой и слоями нитрида галлия и индия, а также снижает утечку излучения, что обеспечивает стабильную работу лазера даже при малых размерах.

Эксперименты показали, что использование сапфировых подложек позволяет создавать компактные лазеры, работающие в глубоком ультрафиолетовом диапазоне. По своим характеристикам они сопоставимы с лучшими существующими моделями интегрированных лазеров, при этом диаметр излучающего элемента составляет всего два микрометра — размер, сравнимый с бактерией.

Название «шепчущая галерея» происходит от известного акустического явления в куполе собора Святого Павла в Лондоне. Если человек шепчет у одной стены купола, то собеседник, находящийся на противоположной стороне на расстоянии десятков метров, может отчётливо услышать этот шёпот. Это происходит из-за многократных отражений звуковых волн от изогнутых стен купола, которые скользят по поверхности, не теряя энергии, словно «прогуливаясь» по стене.

В физике света и лазеров этот эффект основан на полном внутреннем отражении. Когда световой луч попадает в очень маленький круглый объект, например шар или диск из стекла, свет многократно отражается от внутренних стенок под большими углами, вращаясь по внутреннему периметру и не покидая его. Таким образом свет оказывается захвачен в очень маленькой круговой орбите.

В контексте микролазеров эффект «шепчущей галереи» решает проблему уменьшения размера. В обычном лазере для удержания света необходимы зеркала, расположенные друг напротив друга. В миниатюрном лазере, имеющем форму диска или шара, изогнутая поверхность сама выступает в роли «кругового зеркала». Свет, отражаясь внутри, движется по круговой траектории, оставаясь захваченным достаточно долго для усиления и генерации лазерного излучения без необходимости в больших пространствах или внешних зеркалах.

Именно этот принцип позволил учёным создать лазер диаметром всего два микрометра — меньше эритроцита — сохранив при этом высокую эффективность работы устройства.