Артур Скальский

© Babr24.com

Наука и техникаМир

1652

28.03.2008, 16:33

Властелины закольцованного света

Кремниевая фотоника переживает эпоху Ренессанса – громкие анонсы из лабораторий Intel следуют один за другим.

Прошло всего три года с момента объявления Intel о создании первого в мире гибридного лазера непрерывного действия на основе кремния по стандартной полупроводниковой технологии Intel. И вот в конце февраля 2008 г. в престижном научном издании Nature Photonics была опубликована статья «Каскадный кремниевый лазер на основе эффекта Рамана», явившая миру очередной прорыв инженеров Intel в области кремниевой фотоники. Инженеры корпорации продемонстрировали действующий образец каскадного кремниевого лазера на основе эффекта Рамана, способного усиливать излучение лазера на другой длине волны, что уже сегодня может применяться для исследования содержания газов и водяных паров в атмосфере в экологических и промышленных целях.

А началось все в тот момент, когда исследователи корпорации Intel и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре смогли объединить светоизлучающие способности фосфида индия со способностью кремния проводить свет и создали единый гибридный кристалл, при приложении напряжения к которому элементы из фосфида индия начинали генерировать поток фотонов – свет с определенной длиной волны, передающийся по кремниевому волноводу и образующий непрерывный лазерный луч. Конструкция волновода имела существенное значение для того, чтобы обеспечить необходимую производительность и длину волны такого лазера. Таким образом был разработан первый в мире гибридный лазер, для изготовления которого использовались стандартные для кремниевых микросхем производственные процессы.

Важнейшим технологическим приемом при производстве таких устройств являлось использование низкотемпературной кислородной плазмы (электрически заряженного газообразного кислорода) для создания тонкой окисной пленки толщиной всего около 25 атомов на поверхностях обоих материалов. При нагревании и прижимании двух материалов друг к другу слой окиси выполняет функцию «прозрачного клея», обеспечивая сплавление фосфида индия и кремния в единый кристалл.

Разработка гибридного лазера была подкреплена другими достижениями корпорации Intel на пути выполнения ее долгосрочной исследовательской программы по созданию устройств кремниевой фотоники с использованием стандартных производственных процессов. В 2004 году исследователи корпорации Intel впервые продемонстрировали кремниевый оптический модулятор с полосой пропускания более 1 ГГц, что в 50 раз превышало возможности предыдущих образцов кремниевых модуляторов. В 2005 году инженеры Intel также впервые продемонстрировали, что кремний может служить для усиления потока фотонов при использовании внешних источников света. Это позволило создать однокристалльный лазер с постоянной длиной волны на основе эффекта Рамана.

Суть эффекта Рамана состоит в том, что при поглощении фотонов атомами, из которых образован кристалл, вторичное излучение состоит из фотонов с бóльшей длиной волны. Иными словами, подпитывая лазер потоком фотонов с одной длиной волны, луч лазера можно усиливать практически на любой другой длине волны – это особенно важно при повышении спектральной плотности линий связи. Другое достоинство такого лазера - невысокий по сравнению с традиционными лазерами уровень тепловых потерь. Рамановские лазеры и оптические усилители уже довольно давно применяются в индустрии оптических коммуникаций, однако там для достижения необходимого коэффициента усиления требуются километры оптоволокна. В кремнии же данный эффект проявляется примерно в 10 000 раз сильнее. Наконец, индивидуальная сборка и настройка лазеров на основе фосфида индия, которые сегодня широко применяются в телекоммуникационном оборудовании, стоят дорого и создают препятствия на пути организации бюджетного серийного производства таких устройств для нужд цифровой индустрии.

До лазера, созданного в лабораториях Intel, рамановское усиление в кремниевых структурах удавалось получить лишь для очень коротких импульсов - не более нескольких наносекунд. Проблема в том, что электроны, освобождаемые энергией проходящего сквозь кристалл излучения, сами же и поглощают это излучение. Для преодоления проблемы «двухфотонного поглощения» была использована специфическая полупроводниковая методика – на пути лазерного луча создавались области с положительным зарядом, оттягивающие «паразитные» электроны.

В первом кремниевом рамановском лазере Intel входные длины волн фотонов составляли от 1548 до 1558 нм с интервалом 2 нм; длина волны выходного излучения находилась в диапазоне от 1683 до 1696 нм. Суть нового, нынешнего изобретения Intel – каскадного гибридного лазера на основе эффекта Рамана - состоит в том, что выходное излучение можно вновь направить на подпитку того же самого лазера, и его длина волны на выходе опять увеличится, на сей раз уже до 1850 нм, а при третьем проходе – до 2050 нм и так далее. Инженеры Intel продемонстрировали двухкаскадный образец, однако не за горами создание образцов и с большим числом каскадов (теоретически их число можно довести до шести).

Каскадные рамановские лазеры уже довольно давно известны, однако до сих пор они делались на основе оптических волокон, где с увеличением длины волны излучения резко возрастают потери. В кремниевом же лазере можно обеспечить небольшие потери энергии излучения при возрастании длины волны вплоть до 6000 нм, или 6 микрон. Кроме того, кремниевые лазеры дешевле, не боятся нагрева и вообще – прочнее и устойчивее.

Но самое главное достоинство каскадного лазера – то, что перевод выходной длины волны лазера в диапазон 1850 нм позволяет использовать устройство в качестве анализатора содержания различных газов и водяных паров в атмосфере. Например, характерная линия поглощения для водяного пара находится в области 1847 нм, а для метана – в области 1687 нм. Лазеры, работающие в диапазоне длин волн около 2 микрон, были известны и раньше, но до открытия Intel это были громоздкие и дорогие приборы, а теперь их цена и размеры уменьшились в тысячи раз, не говоря уже о других преимуществах. Имея в своих руках дешевое и простое устройство на основе кремниевого каскадного лазера, можно мерить содержание одновременно метана и водяного пара в атмосфере. Это пригодится и для контроля окружающей среды, и для биохимических анализов, и для оценки промышленного производства. Особенно полезным это изобретение видится в свете нарастающего интереса к проблемам глобального потепления, ведь выброс единицы объема метана в атмосферу Земли сказывается на «парниковом эффекте» в 25 раз сильнее, чем выброс такого же количества двуокиси углерода.

Наконец, революционное достижение Intel позволит устранить еще одну из преград на пути создания недорогих устройств на базе кремниевой фотоники, обладающих высокой пропускной способностью. Такие устройства смогут обеспечить эффективные внутренние и внешние соединения, которые будут использоваться при создании компьютеров и центров обработки данных будущего. Уже сегодня Intel совместно с кафедрой электротехники и вычислительной техники Калифорнийского университета в Санта-Барбаре работает с материалами на базе фосфида индия для создания новаторских оптоэлектронных устройств с пропускной способностью до 160 Гбит/с, а также разрабатывает технологии соединения разнородных материалов, которые позволят создавать новые электронные устройства с улучшенной производительностью.

Артур Скальский

© Babr24.com

Наука и техникаМир

1652

28.03.2008, 16:33

URL: http://babr24.com/?ADE=44450

bytes: 7345 / 7345

Обсудить на форуме Бабра в Telegram

Поделиться в соцсетях:

Другие статьи в рубрике "Наука и техника"

Современные старики стали умнее и быстрее

Снижение когнитивных способностей, короткая память, невнимательность, медленная ходьба, да и в целом всех движений. Старость пугает всех, но от неё никому не скрыться. Финские учёные Университета Йювяскюля оповестили о радостной новости.

Миша Ковальски

Наука и техникаМир

1091

29.09.2020

Пение птиц изменилось из-за карантина

Жесткие ограничения, которые были введены из-за пандемии новой коронавирусной инфекции, продолжают влиять на дикую природу. Результаты нового исследования опубликовали учёные из американского Университета Теннесси в ведущем научном международном журнале Science.

Миша Ковальски

Наука и техникаБратья меньшиеМир

2448

26.09.2020

Шнобелевская премия 2020: Путин, гелиевый крокодил, нож из экскрементов и многое другое

Состоялась ежегодная церемония вручения Шнобелевской премии. В 2020 году она, как и многие другие мероприятия, проходила в режиме онлайн. Напомним, что эта премия является шуточной научной наградой. Её получают те учёные, чьи исследования больше кажутся забавными, чем практичными.

Миша Ковальски

Наука и техникаМир

2854

21.09.2020

Игорь Бычков: новая попытка захвата власти

Судя по всему, недавний скороспелый ученый совет в Иркутском научном центре и последовавший скандал вокруг него - только начало большого проекта передела иркутской науки.

Максим Бакулев

Наука и техникаРасследованияСкандалыИркутск

7659

20.09.2020

Следственный комитет должен заниматься преступлениями в исторической науке

Сообщают, что председатель Следственного комитета РФ, генерал юстиции Александр Бастрыкин решил создать подразделение в составе Следственного комитета, которое бы занималось расследованиями в сфере реабилитации нацизма и фальсификации истории.

Дмитрий Верхотуров

Наука и техникаИсторияРасследованияРоссия

9759

15.09.2020

В Китае найден древнейший атлас тела

Учёные наконец-то разгадали таинственный манускрипт, которому насчитывается более 2000 лет. Шелковая рукопись была найдена в Китае при раскопках гробницы Мавандуй ещё в 1973 году. Всё это время письмена не могли расшифровать, потому что они были написаны на древнем диалекте.

Миша Ковальски

Наука и техникаИсторияМир

3860

05.09.2020

Скандал в ИНЦ продолжается

Продолжается борьба за власть в Иркутском научном центре и попытка снятия со своей должности директора ИНЦ Константина Апарцина. 1 сентября на сайте ИНЦ была опубликована выписка из протокола Ученого совета ФГБУН ИНЦ СО РАН от 28.08.2020 года.

Лера Крышкина

Наука и техникаРасследованияИркутск

6659

01.09.2020

Любовь к романтике вызываетcя мутацией

В большинстве случаев мутация ассоциируется с чем-то страшным и опасным. На самом деле это не так. Мутация — это любое изменение генетического кода. Оно может не только превращать организмы в мутантов, но и быть вполне полезным.

Миша Ковальски

Наука и техникаМир

3535

31.08.2020

Закулисная революция в Иркутском научном центре

Пока вы спали (С), в Иркутском научном центре произошла незаметная, но для многих громкая революция. Началось все с обмена любезностями между действующим директором ИНЦ Константином Апарциным и научным руководителем того же ИНЦ Игорем Бычковым.

Лера Крышкина

Наука и техникаРасследованияИркутск

8990

31.08.2020

Вероятность светового загрязнения Байкала исследуют иркутские учёные

Молодые учёные Иркутска завершили экспедицию по Байкалу, целью которой было изучить, как искусственный свет влияет на эндемичные организмы озера. Экспедиция длилась два дня - 19 и 20 августа 2020 года.

Миша Ковальски

Наука и техникаМолодежьИркутск Байкал

4531

28.08.2020

Сибирские учёные создали ГМО осину

Группа российских ученых вывела новый сорт осины (он же тополь дрожащий). Она отличается ускоренным ростом. По словам учёных, разработка может быть востребована предприятиями лесной отрасли.

Миша Ковальски

Наука и техникаЭкологияКрасноярск

3946

25.08.2020

Работа иркутских учёных вошла в мировой отчёт о состоянии климата планеты

В августе 2020 года вышел ежегодный международный отчет «State of the Climate 2019». В издание включены результаты научных оценок состояния климата нашей планеты. Выпуск глобального отчета издается Американским метеорологическим обществом.

Миша Ковальски

Наука и техникаЭкологияИркутск

4101

21.08.2020

Смарт: Бабр для умных

Аналог человеческой кожи, способный ощущать боль

Австралийские исследователи впервые разработали искусственную кожу, которая может чувствовать боль, как человеческая кожа. Эта инновация может найти применение в области здравоохранения и, конечно же, в робототехнике.

Александр Егоров

Интернет и ИТРоссия

4010

18.09.2020

Главные киберугрозы-2020: фишинг, шпионы, трояны и бэкдоры

Специалисты международной компании Group-IB, специализирующейся на предотвращении кибератак, назвали самые распространённые киберугрозы первого полугодия 2020 года — то есть как в тот отрезок времени, когда в России и по всему миру бушевала пандемия.

Алиса Беглова

Интернет и ИТРоссия

4002

19.09.2020

Банковские технологии — лазейка для мошенников?

Технологии в банковской сфере, с одной стороны, призваны повысить безопасность и защитить наши денежные средства от мошенников, но с другой — зачастую именно они и становятся той брешью в системе безопасности, через которую прорываются мошенники.

Алиса Беглова

Интернет и ИТРоссия

3665

22.09.2020

Голод не тётка. Голодание — псевдонаучная методика или целительная практика?

Лечебное голодание — спорная практика из области альтернативной медицины. Заключается в полном отказе от пищи, а иногда и от воды тоже. До сих пор нет единого мнения: то ли голодание оказывает на наш организм целительный чудо-эффект, то ли является угрозой для здоровья и нервной системы.

Алиса Беглова

Интернет и ИТРоссия

3940

21.09.2020

Минюст: Наказания для малого бизнеса нужно смягчить

Министерство юстиции предложило приравнять предприятия малого бизнеса к индивидуальным предпринимателям (ИП) в части административной ответственности, сообщается на сайте ведомства.

Александр Егоров

Интернет и ИТРоссия

1794

25.09.2020

Лица Сибири

Мадасов Игорь

Юрасова Татьяна

Серебренников Сергей

Банько Сергей

Ледяева Наталия

Берулава Михаил

Бобков Игорь

Гордеев Владимир

Чайковский Антон

Жуков Владимир