«Мир ПК»

Использование лазера на комбинационном рассеянии дает возможность усиливать сигнал для передачи на большие расстояния

В февральском выпуске авторитетного научного журнала Nature была опубликована статья Марио Паниссиа и его коллег о реализации лазера непрерывного действия с кремнием в качестве активной среды. Ценность этого открытия состоит в потенциальной возможности создания недорогих волноводов для передачи информации на большие расстояния, а также создании каналов связи в пределах отдельных микросхем.

На недавнем форуме разработчиков IDF 2005 с Паниссиа, руководителем научной лаборатории Intel по фотонике, удалось обсудить подробности этого изобретения.

Самое очевидное препятствие для создания лазера на кремниевых структурах — их непрозрачность.

Однако использование явления комбинационного рассеяния (в западной литературе его часто называют эффектом Рамана) позволяет преодолеть этот, казалось бы, непреодолимый барьер.

Данный эффект относится к области нелинейной оптики: молекула излучает волну меньшей длины, чем поглотила за счет диссипации части энергии, перехода ее во внутренние степени свободы (движение атомов друг относительно друга). Наблюдается он и в кристаллическом кремнии; переизлучаемая атомами кристаллической решетки 1700-нанометровая волна находится в инфракрасном диапазоне, для нее кремний прозрачен.

В результате экспериментатор получает возможность использовать кремний в качестве рабочего тела лазера: фотоны лампы накачки переводят электроны на возбужденный уровень. Однако первый опыт использования комбинационного рассеяния показал, что другой нелинейный эффект, двухфотонное поглощение, быстро гасит излучение, индуцированное лампой накачки. Как ясно из его названия, последний эффект заключается в поглощении атомом двух фотонов, суммарной энергии которых достаточно для отделения электрона от атома.

В результате образуются свободные электроны, которые поглощают волны, испущенные атомами кремния, и гасят волну, генерация лазерного излучения прекращается.

Для устранения нежелательных последствий группа исследователей под руководством Паниссиа направила перпендикулярно лучу электрическое поле, внедрив в полупроводниковую структуру волновода так называемое PIN-устройство.

Конструктивно это похоже на обычный транзистор на подложке (сделанный с применением технологии «кремний на изоляторе»): отрицательный и положительный — это исток и сток.

Только ток между ними рождается не под влиянием поля затвора, а за счет притяжения появления дырок и электронов, при прохождении лазерного луча через кремний.

В результате электрическое поле все время «откачивает» свободные заряженные частицы с пути волны, поэтому она не затухает, генерация лазерного излучения постоянно поддерживается.

Использование лазера на комбинационном рассеянии дает возможность усиливать сигнал для передачи на большие расстояния. Мощная волна возбудит электроны в активной среде, а слабый информационный сигнал промоделирует последующее лазерное излучение.

В опытах группы Паниссиа уже удалось достигнуть частоты модуляции в 1 ГГц. Кристаллы с кремниевыми лазерами создаются на обычных кремниевых пластинах стандартными литографическими методами. Поэтому и стоимость их будет невысока.

В 2000 году Жорес Алферов получил Нобелевскую премию за исследования физики германиевых полупроводников, приведшие в конце концов к изобретению полупроводникого лазера, без которого невозможно представить существование современной ИТ-индустрии. Он применяется и в оптических накопителях, и для передачи данных по оптоволокну.

Однако такие лазеры до сих пор сравнительно дороги, что ограничивает круг их применения. Пока кремниевый лазер не вышел за стены лаборатории, но если удастся наладить его массовое производство, то человечество получит недорогой лазер.

В перспективе они могут применяться даже для передачи информации внутри микросхем или по системной плате. Кроме того, в Intel отмечают, что лазеры также активно применяются в медицине, но пока они доступны не всем пациентам из-за своей дороговизны. Кремний исправит эту ситуацию.

Насос для электронов

Для устранения нежелательного затухания лазерного излучения в кремнии в группа исследователей под руководством Паниссиа направила перпендикулярно лучу электрическое поле, внедрив в полупроводниковую структуру волновода так называемое PIN-устройство. Конструктивно это похоже на обычный транзистор на подложке : отрицательный и положительный это исток и сток. Только ток между ними рождается не под влиянием поля затвора, а за счет притяжения появления дырок и электронов, при прохождении лазерного луча через кремний. В результате электрическое поле все время «откачивает» свободные заряженные частицы с пути волны, поэтому она не затухает; генерация лазерного излучения постоянно поддерживается

Кремниевый лазер

Обычный твердотельный лазер состоит из лампы накачки и рабочего тела, окруженного с двух сторон зеркалами. Одно из зеркал отражает волну (световую, инфракрасную или ультрафиолетовую) практически полностью; второе зеркало имеет небольшой коэффициент пропускания.

Лампа накачки излучает большое количество фотонов, которые поглощаются атомами рабочего тела.

Вещество рабочего тела подобрано так, чтобы в нем существовал набор узких энергетических уровней. После поглощения активным телом фотонов электроны в его атомах переходят на более высокий, возбужденный уровень.

Если уровни узкие, то энергия такого перехода строго фиксирована, а следовательно, поглощаются и потом излучаются фотоны фиксированной энергии, а значит, одинаковой длины волны. Обратный переход с возбужденного уровня на основной сопровождается излучением фотона.

Причем он может происходить случайно или под воздействием проходящего рядом фотона с той энергией, которая соответствует энергии перехода между уровнями.

В результате получается цепная реакция. Первый электрон возвращается на основной уровень самопроизвольно, он порождает фотон, который вызывает переход других электронов с попутным излучением фотонов в своем направлении с той же, что и у него, энергией.

Так формируется лазерный луч, в котором фотоны почти параллельны и имеют почти одну и ту же длину волны (проще говоря, одинаковый цвет).

Зеркальные стенки обеспечивают возвращение излучения обратно в рабочее тело, чтобы продолжить процесс генерации фотонов, и лишь малая их часть выходит наружу через одно из зеркал, формируя лазерный луч.