Ученым из компании Bell Labs удалось разработать лазер нового поколения, используя в качестве полупроводника для изготовления многокаскадного полупроводникового лазера фотонные кристаллы. Полученный лазер обладает уникальными свойствами. Например, его излучение может быть направлено в любом, заранее выбранном, направлении, что позволяет встраивать его в обычную полупроводниковую микросхему.

Обычный многокаскадный полупроводниковый лазер, представляющий собой набор слоев из тонких полупроводниковых пластин, может излучать свет лишь в стороны, как показано на втором рисунке. Новый лазер на фотоных кристаллах избавлен от этого недостатка и может излучать свет в любом, заранее выбранном направлении.

Фотонный кристалл, являющийся неотъемлемой частью нового лазера, представляет собой полупрозрачный диэлектрик с определенной периодической структурой и уникальными оптическими свойствами. Уникальность его заключается в том, что фотонный кристалл обеспечивает почти полное управление движением проходящего через него света. Такие возможности достигаются за счет наличия в кристалле диэлектрика равномерно распределенных мельчайших отверстий. Их диаметр подобран таким образом, что они пропускают световые волны лишь определенной длины, а остальные частично отражают или поглощают. При определенном физическом воздействии на кристалл, например, звуковыми волнами, длина световой волны, пропускаемой кристаллом, и направление ее движения могут значительно меняться.

Многокаскадный полупроводниковый лазер представляет собой этакий "сэндвич", состоящий из нескольких (более двух) тончайших, в несколько нанометров толщиной, чередующихся слоев полупроводника с несколько отличающейся проводимостью. Если приложить к разным концам такого сэндвича электрическое напряжение, то электроны потекут сквозь эти слои весьма специфичным образом: накопив достаточно энергии, они синхронно "перепрыгивают" сквозь слой (выражаясь научно, падают в квантовую яму), излучая затраченную на переход энергию в виде фотонов. Характерной особенностью такого лазера является то, что он излучает непрерывно и равномерно, строго параллельно плоскости, в которой лежат слои полупроводников (см. рисунок).

Теперь ученым удалось совместить эти две разработки, что называется "два в одном". На сайте Physics Web со ссылкой на журнал Science Express опубликована статья, в которой сообщается, что сотрудниками Bell Labs был создан первый образец подобного прибора.

Ученым удалось нанести на слои полупроводников, используемых при изготовлении полупроводникового лазера, гексагонально-симметричную структуру, характерную для фотонного кристалла. При этом использовалась уникальная электронно-лучевая литографическая установка, расположенная в штаб-квартире Bell Labs в Мюррей-Хилл, штат Нью-Джерси. Полученный в итоге лазерный излучатель имеет размер всего 50 микрон, что вдвое тоньше диаметра человеческого волоса. При помощи встроенных фотонных кристаллов удалось направить поток излучения от боков к поверхности пленки и заставить лазер излучать в вертикальном направлении. Таким образом, для использования нового лазера не нужны дополнительные устройства фокусировки, что позволит расширить область применения полупроводниковых лазеров. Например, теперь их можно будет встраивать в микросхемы. "Этот новый лазер появился исключительно благодаря объединению разрозненных разработок в разных областях физики в одном устройстве", - заявила Черри Мюррей, старший вице-президент Bell Labs по физическим исследованиям.

Велика вероятность того, что в будущем микросхемы, содержащие огромные массивы подобных лазерных излучателей, будут широко применяться в оптических телекоммуникациях, а также в качестве чувствительных сенсоров для различных датчиков. Сейчас ученые пытаются добиться повышения мощности нового лазера, а также пытаются его модернизировать. "Если нам удастся заполнить крошечные отверстия фотонного кристалла какой-нибудь жидкостью или другим веществом, то мы можем получить совершенно новые физические эффекты, которые откроют для нашего лазера новые области применения", - заявил Федерико Капассо, член команды разработчиков.