В НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге совместно с российскими и зарубежными коллегами создан микролазер, излучающий в глубоком ультрафиолете. Диаметр устройства составляет около двух микрометров — это сопоставимо с размером бактерии. Разработка может найти применение в фотонных чипах, газовых сенсорах и системах UV-C-связи.
Объектом разработки являются микролазеры, функционирующие в глубоком ультрафиолетовом диапазоне на длине волны 255 нанометров. Отличительной особенностью устройств является их малый размер: диаметр наименьшего из изготовленных образцов составляет около двух микрометров, что близко к размерам бактериальной клетки. Кроме того, генерация излучения происходит при комнатной температуре, что упрощает потенциальное использование подобных элементов.
Глубокий ультрафиолет (диапазон с длиной волны менее 300 нм) характеризуется высокой энергией фотонов, что обуславливает его активное поглощение веществом и способность инициировать фотохимические реакции. Данные свойства находят применение в газовом анализе, детекции биологически активных соединений, процессах обеззараживания и системах передачи данных на коротких дистанциях. Традиционные источники излучения в этом спектре — ртутные лампы и газовые лазеры — имеют ограничения, связанные с наличием токсичных компонентов и значительными габаритами, что затрудняет их интеграцию в компактные приборы и фотонные чипы.
В ходе эксперимента на сапфировой подложке были выращены тонкие полупроводниковые слои, из которых методом микрообработки сформированы микродиски. Удержание света в таких структурах обеспечивается за счет эффекта шепчущей галереи: излучение многократно отражается от внутренней границы диска и распространяется по его периметру без использования традиционных зеркальных систем. Активная область микродисков содержит три квантовые ямы, что позволяет усиливать оптический сигнал.
Одним из авторов исследования, старшим научным сотрудником Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ Эдуардом Моисеевым, отмечено, что выбор сапфира в качестве основы обусловлен его доступностью, более низкой стоимостью по сравнению с некоторыми альтернативными материалами и совместимостью со стандартными методами микроэлектронной обработки. Это может облегчить дальнейшее внедрение технологии.
Для устройства диаметром 2 микрометра пороговая плотность мощности накачки составила порядка 280 кВт/см². По оценке разработчиков, эти показатели сопоставимы с лучшими мировыми результатами для подобных коротковолновых лазеров.
В настоящий момент генерация достигается за счет оптической накачки от внешнего источника. Следующим этапом работы называется переход к электрическому принципу возбуждения, что более практично для портативных устройств и позволит отказаться от громоздкого внешнего оборудования. Для реализации этой задачи планируется снизить электрическое сопротивление полупроводниковых слоев и оптимизировать доставку зарядов в активную зону без ухудшения кристаллического качества материала.
В перспективе подобные микролазеры могут быть востребованы в спектроскопических системах, биохимических и газовых сенсорах, устройствах связи в UV-C-диапазоне, а также в фотонных интегральных схемах, где требуется компактный источник излучения в глубокой ультрафиолетовой области.