Изобретение американцев называется замысловато —
"Контрастная решётка с высоким индексом преломления и шагом меньше
длины волны" (high-index contrast sub-wavelength grating — HCG).
Создали её Конни Чан-Хаснейн (Connie J. Chang-Hasnain), директор Центра оптоэлектроники, наноструктур и полупроводниковых технологий Университета Калифорнии в Беркли (CONSRT), да её аспиранты Майкл Хуан (Michael Huang) и Е Чжоу (Ye Zhou).Однако,
прежде чем рассказать о сути новинки, необходимо сделать небольшое
отступление. Ранние версии полупроводниковых лазеров использовали в
качестве зеркал кристаллы, которые обеспечивали коэффициент отражения в
30%. Это не слишком много, если учесть, что зеркала в лазере
обеспечивают многократный пробег фотонов через рабочую среду, где они
вызывают генерацию новых фотонов, вся эта лавина накапливается и, в
конечном счёте, выходит через одно из зеркал (полупрозрачное) в виде
лазерного луча.
Для лазеров типа
VCSEL в своё время были разработаны зеркала с отражением от 99% до
99,9%. Поясним, VCSEL – это vertical-cavity surface-emitting lasers, то
есть поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором –
высокоэффективная разновидность лазерного диода.
|
Схема лазера VCSEL. Зелёные с чёрным слоёные пироги,
между которыми зажат излучающий красный слой – и есть рефлекторы Брэгга
(иллюстрация с сайта atvoigt.de). |
|
|
А чудо-зеркалами для
VCSEL служит пара так называемых распределённых рефлекторов Брэгга.
Состоит такое зеркало из десятков чередующихся чрезвычайно тонких слоёв
полупроводников двух типов: арсенида галлия (GaAs) с индексом
преломления 3,6 и арсенида алюминия-галлия (AlGaAs) с индексом
преломления 3.
Такая комбинация,
при условии достаточного числа слоёв (порядка 80), и создаёт зеркало с
необычайно высоким коэффициентом отражения. Каждая пара соседних слоёв
возвращает назад лишь небольшую часть упавшего света, но 80 вместе –
уже почти весь.
Однако общая
толщина такого пирога может достигать 5 микрометров, что, не
удивляйтесь, для ряда перспективных применений — многовато.
Но
главное в том, что высокая точность, необходимая для формирования этих
слоёв, требует сложного производственного процесса, что отражается и на
цене такого зеркала.
Электронная микрофотография зеркала HCG (фото Michael Huang, UC Berkeley). |
| |
|
Вот тут-то на сцену
выходит сегодняшняя новинка – зеркало HCG. Оно в 20 раз тоньше
рефлектора Брэгга, при этом показывает отражающую способность больше
чем 99,9%. И самое приятное – изготавливать его намного проще и дешевле.
В
HCG работают всего два слоя. Один из которых – воздух, а второй —
арсенид алюминия-галлия. Но не сплошной, а сформированный в виде
решётки, с углублениями, разделёнными расстоянием меньшим, чем длина
волны падающего света. Свет этот направлялся в углубления, а там,
сталкиваясь с границей раздела полупроводник-воздух, отбрасывается
назад.
Исследователи отметили, что
воздух как компонент с низким индексом преломления могли бы заменить
другие материалы. Например, диоксид кремния, с индексом преломления
равным 1,5.
Поскольку лазеры типа
VCSEL используются в оптических коммуникациях, оптических мышах и
других системах, требующих низкого расхода энергии, высокоэффективные,
и при этом дешёвые и технологичные зеркала HCG смогли бы обеспечить тут
если не революцию, то существенный скачок вперёд. DVD-приводы, лазерные
принтеры, оптические компьютеры, наконец, также можно будет улучшить
благодаря работе Чан-Хаснейн.
|
Сравнение
зеркала HCG (слева) и распределённого рефлектора Брэгга. На разрезе HCG
тёмно-синим цветом показана полупроводниковая решётка, голубым — воздух
(иллюстрация Michael Huang, UC Berkeley). |
Кстати, новое зеркало
работает в более широком диапазоне частот, чем зеркало Брэгга. А это
важно, поскольку оптические технологии всё больше полагаются на
сине-фиолетовые лазеры. Более короткая длина волны даёт возможность
применить более высокую плотность упаковки, к примеру, питов
(углублений, кодирующих биты) на лазерных дисках.
Исследователи
также работают над мобильным зеркалом HCG для микроэлектромеханических
систем (MEMS), вроде лазеров с настройкой длины волны. "Сокращение
размера зеркала лазера означает существенное сокращение веса, что
является особенно важным для быстродействующих устройств MEMS", —
говорит Чан-Хаснейн.
Авторы нового
зеркала также добавляют, что их детище можно напечатать на той или иной
поверхности. А это позволит создавать по новой технологии тонкие и
лёгкие органические полимерные дисплеи.
В
общем, тонкие полупроводниковые полоски, которые и глазом разглядеть
невозможно, в перспективе станут основой для массы новых устройств,
извлекающих выгоду из впечатляющего параметра отражения HCG в 99,9%.