Учёные из НИУ ВШЭ — Санкт‑Петербург вместе с коллегами из ряда научных институтов изучили, насколько устойчивы миниатюрные лазеры к нагреву — и получили обнадёживающие результаты. Речь идёт о InGaN/GaN микродисковых лазерах на кремниевой подложке: эксперименты показали, что они сохраняют рабочие характеристики даже при температуре до 100 °C. Результаты опубликованы в журнале «Научно‑технические ведомости СПбГПУ. Физико‑математические науки».
Зачем искать замену электрическим соединениям
Современная электроника становится всё компактнее: компоненты на плате размещают плотнее, а сами элементы делают мельче. Из‑за этого устройства сильнее нагреваются, растёт энергопотребление, а сигналы могут искажаться. Один из способов решить проблему — заменить часть электрических соединений внутри микросхем на оптические.
Здесь перспективными считаются микролазеры на основе соединений галлия, азота и индия (InGaN/GaN). У них есть важные плюсы: они стабильны при высоких температурах и в химически активной среде, способны генерировать свет в ультрафиолетовом диапазоне и хорошо сочетаются с кремниевой фотоникой. Однако оставалось неясным, как именно меняются их свойства при нагреве — особенно в реальных условиях работы электроники.
Крошечный диск и большой эксперимент
В центре исследования оказался микродиск диаметром всего пять микрометров — примерно в двадцать раз тоньше человеческого волоса. Эксперимент проводил стажер‑исследователь Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ — Санкт‑Петербург Дмитрий Масютин при участии специалистов из Института физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси, НТЦ микроэлектроники РАН и Физико‑технического института им. А. Ф. Иоффе РАН.
Образец помещали на нагреватель и плавно поднимали температуру от 25 до 100 °C — именно в таком диапазоне обычно работают электронные устройства. Лазер «запускали» методом оптической накачки: внешний источник света возбуждал активную область микродиска, заставляя его излучать свет на определённой длине волны.
Чтобы понять, как нагрев влияет на работу лазера, учёные изучали спектры фотолюминесценции. Дмитрий Масютин поясняет: когда активная область поглощает свет накачки, электроны переходят на более высокие энергетические уровни, а затем, возвращаясь обратно, испускают фотоны — это и есть фотолюминесценция. Если структура способна к лазерной генерации, на спектрах видны характерные линии, по которым можно судить о длине волны и пороговых характеристиках устройства.
Стабильность в цифрах
Результаты оказались многообещающими. При нагреве до 100 °C микролазер не потерял работоспособность:
- пик лазерной генерации сместился лишь на два нанометра — с 413 нм при 25 °C до 415 нм при 100 °C;
- пороговая мощность накачки практически не изменилась и держалась в диапазоне 245–255 мкВт.
Это говорит о высокой температурной стабильности устройства. Как подчёркивает Дмитрий Масютин, для полупроводниковых лазеров такой параметр критически важен: нагрев часто приводит к росту порога генерации и сильному «уходу» длины волны. Сохранение этих характеристик в диапазоне от 25 до 100 °C означает, что подобные лазеры можно использовать в бытовой и промышленной электронике без сложных систем охлаждения.
Что это значит для будущего
Исследование помогает сделать ещё один шаг к внедрению фотонных схем в реальные устройства. В перспективе такие технологии могут сделать эффективнее суперкомпьютеры, электромобили и медицинские приборы, а также снизить затраты на их производство. Теперь у инженеров появляется больше уверенности в том, что миниатюрные лазеры смогут надёжно работать в условиях обычного нагрева — а это ключ к их массовому применению в оптоэлектронике.