Ученым впервые удалось разработать микродисковый лазер, сопряженный с оптическим волноводом, и фотодетектор на одной основе. Такая конструкция позволит реализовать элементарную фотонную схему на одной подложке с источником излучения (микролазером). Это поможет в будущем ускорить передачу данных, уменьшить вес техники без потери качества.
Полые металлические волноводы прямоугольного сечения с соединительными фланцами / © Catslash, ru.wikipedia.org
Результаты исследования опубликованы в издании «Физика и техника полупроводников». Все возрастающие требования к скорости и объему передаваемой информации диктуют необходимость усовершенствования существующих способов связи. Фотонные интегральные схемы (ФИС), использующие свет для передачи информации, работают быстрее, меньше нагреваются, более устойчивы к помехам и потребляют меньше энергии по сравнению с аналогами, использующими электроны для передачи информации.
Однако для их успешного применения необходимы эффективные и миниатюрные источники света, такие как микродисковые лазеры на основе арсенида галлия (GaAs). Длина классического лазера Фабри — Перо — около одного миллиметра, а микродисковый лазер может быть меньше в 1000 раз. В представленной работе размер лазера был уменьшен до 40–30 мкм.
Для успешной реализации оптической связи на ФИС необходим эффективный направленный вывод излучения. Направленного излучения можно добиться с помощью оптической связи микролазеров с волноводом, который расположен очень близко. Авторы статьи спроектировали и изготовили и микролазер, и волновод из одной эпитаксиальной структуры, что позволило дополнительно уменьшить их размер и повысить стабильность работы.
«Создание микродисковых лазеров, сопряженных с волноводом, — сложная задача. Необходимо создать тонкопленочную эпитаксиальную структуру заданного состава. В нашем случае мы использовали газофазную эпитаксию из металл-органических соединений, метод послойного формирования кристаллов разных веществ на поверхности друг друга. Из полученной структуры формировались лазеры и волноводы.
Это стало возможно благодаря разработкам Института сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники имени В. Г. Мокерова РАН. Все эти процессы потребовали использования высокотехнологичного оборудования и работы целой группы опытных, талантливых и квалифицированных специалистов», — рассказал Никита Фоминых, младший научный сотрудник Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге.
Помимо источников излучения, для функционирования ФИС необходимы и приемники. Эту роль в работе выполняют волноводные фотодетекторы. Таким образом, появляется возможность создать оптопару микролазер — волноводный фотодетектор с согласованной рабочей длиной волны на одной пластине. Размер фотодетектора, который был использован в оптопаре, не превышал 90 мкм, что позволило создать очень компактную и энергоэффективную оптопару.
«Микродисковые лазеры — уникальные оптоэлектронные приборы. При размере, сравнимом с диаметром нити паутины, они могут выдавать достаточно большую оптическую мощность. Мы экспериментально показали, что все необходимые для фотонной интегральной схемы оптоэлектронные компоненты — микродисковый лазер, волновод и фотодетектор — могут быть изготовлены из одной эпитаксиальной гетероструктуры, на одной основе», — говорит одна из авторов статьи, заведующая Международной лабораторией квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге Наталья Крыжановская.
