Новая разработка Intel обещает прорыв в сфере IT и коммуникаций

Исследователи Intel сообщили о создании первого в мире лазера непрерывного действия
на основе кремния, для изготовления которого ими была использована стандартная
полупроводниковая технология.

Принцип действия непрерывного кремниевого лазера

Для усиления светового излучения в устройстве, разработанном специалистами фирмы,
применяется так называемый эффект Рамана. Он относится к области нелинейной оптики
и состоит в следующем. При поглощении фотонов атомами или молекулами, из которых
образован кристалл, вторичное излучение включает в себя фотоны с большей длиной
волны, а также фононы — квантовые колебания кристаллической решетки. Как отмечают
специалисты, применительно к оптическим усилителям, используемым, к примеру, в
коммуникационных системах, это означает, что при накачке на одной длине волны
можно усиливать сигнал практически на любой другой длине — данный факт особенно
важен при решении проблемы повышения спектральной плотности линий связи. Другое
достоинство подобного подхода — невысокий в сравнении с традиционными лазерами
уровень тепловых потерь (их снижение, как известно, является одной из ключевых
задач в современной микроэлектронике).

Рамановские лазеры и оптические усилители уже применяются в индустрии оптических коммуникаций, однако там для достижения необходимого усиления требуются километры оптоволокна. В кремнии же данный эффект проявляется примерно в 10 000 раз сильнее.

Однако до настоящего времени рамановское усиление в кремниевых структурах удалось получить лишь для очень коротких импульсов — не более нескольких наносекунд. Проблема заключается еще в одном эффекте нелинейной оптики (его иногда называют паразитическим) — двухфотонном поглощении. Он состоит в одновременном попадании двух фотонов в атом, при котором происходит выбивание электрона и, как следствие, — образование долгоживущей пары электрон—дырка. При увеличении концентрации электронов и дырок за счет поглощения ими фотонов из луча накачки и сигнального луча эффект рамановского усиления быстро сходит на нет.

Для решения проблемы специалисты Intel разместили вдоль волновода так называемую PIN-структуру (P-type—Intrinsic—N-type). Упрощенно говоря, она представляет собой два электрода, при подаче напряжения на которые электроны и дырки "отсасываются" из волновода, обеспечивая длительное усиление.

Для изготовления непрерывного кремниевого лазера в лабораториях компании применили метод наращивания волновода поверх слоя изолятора; сам волновод имеет изогнутую форму (в виде буквы "S"), а его длина равняется 4,8 см. Напряжение, подававшееся на PIN-структуру, составляло 25 В. Накачка осуществлялась внешними инфракрасными лазерами мощностью порядка 400 мВт с различными длинами волн — от 1548 до 1558 нм с интервалом 2 нм; длина волны на выходе находилась (приблизительно) в диапазоне от 1683 до 1696 нм. Величина рамановского усиления равнялась нескольким децибелам на сантиметр (в сравнении с 200 дБ/см в стандартных полупроводниковых лазерах), однако этого оказалось достаточно.

В Intel считают, что, хотя новая разработка еще далека от коммерческого внедрения, изготовление лазеров из обычного кремния открывает путь к созданию недорогих оптических устройств, способных найти широкое применение в компьютерной, коммуникационной и медицинской сферах.