Лазер на квантовой шестеренке

пока так не называется. Авторы публикации из университета в Иокогаме на благозвучном английском озаглавили статью "MICROGEAR LASER" [1], но приведенные в статье рисунок и фото оправдывают наш перевод, помещенный в заглавии.

Тем не менее, лазер столь необычной формы и размеров вполне функиональная вещь. Миниатюрные лазеры нужны во множестве областей, в особенности в системах оптоволоконной связи, где вообще идеальным является размер активной части лазера, равный поперечнику оптического волокна. Однако в этом случае становится существенным то, что отношение объема активного элемента к поверхности падает примерно пропорционально размеру элемента. Поскольку энергия накачки при равенстве прочих факторов пропорциональна объему, а выход света через боковые поверхности представляет собой чистые потери, рано или поздно потери на спонтанное излучение через боковые грани становятся лимитирующим фактором. Если нужен лазер лучше, нужно сделать меньше потери.

Кое-какие рецепты, как не дать свету выходить из лазера зря, известны. Один из них — нанести на боковую поверхность дифракционную решетку, так, чтобы в направлении возможного выхода света был эффективный максимум для отражения света обратно. Другой способ, и этот способ как раз используется для лазеров в форме микроскопических дисков — подобрать параметры так, чтобы для боковой грани осуществлялось условие полного внутреннего отражения, чтобы свет ходил внутри диска по цилиндрической поверхности без затухания, как звук в знаменитой Пекинской галерее шепотов.

Авторам представляемого лазера на микрошестеренке удалось совместить оба подхода в едином приборе. Шляпка гриба представляет собой многослойную структуру из напряженных квантовых ям толщиной 5нм, барьеров толщиной 1.2 мкм и оптических согласующих слоев в системе GaInAsP. Максимум в спектре спонтанного излучения для такой структуры приходился при комнатной температуре на 1.55 — 1.58 мкм, что соответствует оптимальной длине световой волны для оптоволоконных применений. Далее комбинацией нескольких методов литографии высоко разрешения, используемых обычно при создании микромеханических систем, на шляпке гриба формировалась<бахрома>. Диаметр сплошной (ненарезанной) части шляпки составлял 2.2-3.2 мкм, а глубина выступов — от 50 до 270 нм. Полное число полученных таким образом<штрихов>(зубьев шестеренки) на боковой поверхности нового лазера составляло от 16 до 24. Тем самым на боковой поверхности создавалась отражающая решетка, которая должна была уменьшить потери на спонтанное излучение.

Функционирование созданных таким образом лазеров на квантовой шестеренке испытывали при работе с непрерывной оптической накачкой диодным лазером с длиной волны 0.98мкм. Возбуждающее излучение направляли на структуру непосредственно через шляпку гриба. Генерация была обнаружена в 15 приборах на длине волны 1.60 — 1.67 мкм (полное число испытывавшихся приборов не указано). При превышении порога генерации на 20% превышение лазерного излучения над спонтанным составляло 30 дБ, а ширина линии — 0.3 нм, что ограничено свойствами использовавшегося мультимодового волокна. В статье также приводятся графики интенсивности лазерной генерации от плотности накачки, из которых следует, что пороговая плотность накачки в новом лазере составляет 17 мкВт, что, по крайней мере, вдвое ниже, чем у дисковых микролазеров без<бахромы>. Обсуждается также использование различных способов модификации боковой поверхности для управления модовым режимом подобных лазеров.

Помимо основного результата — действующего лазера, на который работа, собственно, и была нацелена, она является прекрасным примером взаимодействия дисциплин — наноструктуры, микромеханика, нанофотоника.
1. Appl. Phys. Lett, 2002, 80(2), p.2051
ПерсТ, 2002, том 9, выпуск 6