Микролазер размером с бактерию: российские учёные создали источник ультрафиолета для фотонных чипов

Международная команда исследователей, в которую вошли учёные НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге, Института физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, Цилуского технологического университета и Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе, создала микродисковые лазеры, излучающие на длине волны около 255 нанометров. Это одна из самых коротковолновых реализаций подобных устройств на сапфире.

Что такое глубокий ультрафиолет и зачем он нужен

Глубокий ультрафиолет — часть спектра с длиной волны менее 300 нанометров. Такой свет невидим для человеческого глаза, но обладает высокой энергией фотонов, что позволяет ему легко поглощаться веществом и запускать фотохимические реакции. Это свойство используется для анализа газов, обнаружения биологически активных веществ, обеззараживания и передачи данных на небольшие расстояния.

Традиционные источники глубокого ультрафиолета — ртутные лампы или газовые лазеры — содержат токсичные вещества и отличаются громоздкостью. Миниатюризация таких источников открывает путь к созданию компактных устройств: фотонных чипов, сенсоров и спектроскопических систем.

Как устроен микролазер на сапфире

Исследователи вырастили на сапфировой подложке тонкие полупроводниковые слои, а затем с помощью методов микрообработки сформировали из них микродиски диаметром около двух микрометров. Свет в этих дисках удерживается за счёт эффекта шепчущей галереи: многократно отражаясь от границ диска, он «бежит» по его краю, подобно тому, как звук распространяется вдоль изогнутой стены в галерее. В активной области, содержащей три квантовые ямы, происходит усиление излучения.

Для самого маленького устройства диаметром два микрометра пороговая плотность мощности составила около 280 киловатт на квадратный сантиметр, что соответствует лучшим мировым результатам для столь коротких длин волн. Лазеры работают при комнатной температуре, что упрощает их практическое применение.

Перспективы и следующие шаги

«Сапфир уже широко используют на производствах, он дешевле и доступнее некоторых альтернатив. При этом с ним можно работать привычными для микроэлектроники методами: выращивать слои, формировать рисунок и вытравливать элементы устройства. Это открывает путь к созданию компактных фотонных чипов для спектроскопии, биосенсоров и систем связи в ультрафиолетовом диапазоне», — комментирует один из авторов исследования, старший научный сотрудник Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ Эдуард Моисеев.

В настоящее время микролазеры работают за счёт оптической накачки от внешнего лазера. Следующим этапом станет переход к электрической накачке, что позволит использовать устройства в реальных портативных приборах. Для этого предстоит снизить электрическое сопротивление слоёв, обеспечить эффективную доставку зарядов в активную область и сохранить высокое качество кристалла.

Исследование демонстрирует, что лазер глубокого ультрафиолета можно уменьшить до размеров бактерии, сохранив при этом работу при комнатной температуре. В перспективе такие микролазеры найдут применение в спектроскопических системах, биохимических и газовых сенсорах, устройствах UV-C-связи и фотонных чипах.