Группа исследователей, возглавляемая Александром Споттом (Alexander Spott) из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, создала первый в своем роде квантовый каскадный лазер из кремния. Подобное устройство имеет множество областей его применения, начиная от химической спектроскопии и детектирования различных химических соединений до коммуникаций в открытом космическом пространстве и астрономии. Кроме этого, интеграция лазеров прямо на кристаллы полупроводниковых чипов гораздо эффективней и компактней, нежели технологии введения на кристалл фотонно-электронного чипа луча света от внешнего лазера.
Следует отметить, что значение ширины запрещенной зоны не позволяет изготавливать лазерные источники света непосредственно из кремния. Обычно, лазерные диоды изготавливают из полупроводников III-V группы, таких, как арсенид галлия (GaAs) и фосфид индия (InP). Заключение слоя кремния между слоями полупроводников III-V группы позволяет создать кремниевый лазер, но длина волны света такого лазера не превышает 2 микрометров на счет влияния целого ряда ограничения. Но для практического использования подобных лазеров необходимо, чтобы они могли излучать более длинноволновый инфракрасный свет, и ученые обратили свое внимание на так называемый квантовый каскадный лазер.
Создание квантового каскадного лазера является достаточно сложной задачей, а в данном случае она еще усложнилась тем, что диоксид кремния активно поглощает свет в середине инфракрасного диапазона. «Это означает, что нам необходимо было создать несколько кремниевых лазеров различного типа, соединенных между собой кремниевым волноводом» — объясняет Александр Спотт — «Для этого мы разработали волновод специального типа SONOI (silicon-on-nitride-on-insulator), в котором присутствует слой нитрида кремния, нанесенный на структуру основного кремниевого волновода».
Следующим шагом, который намерены сделать ученые, станет оптимизация структуры созданного ими каскадного квантового лазера с целью улучшения параметров его теплоотдачи, что, в свою очередь, позволит ему работать не в импульсном режиме, а в режиме постоянного излучения. «Кроме этого, изменения в структуре лазера должны поднять его эффективность и уровень мощности» — рассказывает Александр Спотт, — «Эти шаги приблизят нас вплотную к созданию устройств, работающих в середине инфракрасного диапазона, таких, как спектрометры и газовые анализаторы, интегрированных прямо на поверхность оптоэлектронных кремниевых чипов. Это позволит уменьшить стоимость таких устройств и минимизировать их до того уровня, когда их можно даже будет встраивать в смартфоны, планшеты и ноутбуки в случае такой необходимости».
