Полупроводниковые оптические устройства становятся все более распространенными. Например, светодиоды, по мере того как они становятся более энергоэффективными, быстро заменяют обычные лампочки. Лазеры теперь также есть в каждом сканере штрих-кода и устройстве чтения компакт-дисков.При разработке этих устройств решающее значение имеет то, как лучше всего передать свет, генерируемый твердым материалом, в реальный мир.
Чи-Вей Ли из Института хранения данных A * STAR, Сингапур, и международные коллеги предложили схему вывода света, которая способна передавать более половины света, создаваемого лазером субмикронного масштаба, в волновод.Плазмонные лазеры — самые маленькие из созданных на сегодняшний день лазеров — они могут быть даже меньше длины волны излучаемого света. Это противоречивое свойство возникает из-за плазмонов, которые представляют собой гибридные электронно-легкие частицы, созданные путем взаимодействия света с электронами в металле.Ли и его команда рассмотрели простейший плазмонный лазер: кольцо из светоизлучающего полупроводника, покрытого тонким слоем серебра.
Свет может двигаться по кругу внутри кольца, что обеспечивает оптический резонатор, необходимый в большинстве лазерных устройств. Более того, этот крошечный лазер можно прикрепить к кремниевой подложке, чтобы сделать его совместимым с компактной технологией фотоники на кристалле. Ли и его команда использовали компьютерное моделирование, чтобы продемонстрировать, что высокая эффективность извлечения достигается, когда волновод (светоносная полупроводниковая полоса субмикронной ширины) напрямую подключается к стороне лазера.
Команда использовала метод численного моделирования, называемый методом конечных разностей во временной области, для изучения характеристик волноводов разной ширины, подключенных в разных точках лазера. Их модели показали, что оптимальная структура — асимметричная. Когда волновод вывода смещен от центра кольца — так, чтобы волновод был заподлицо с краем резонатора, — это дает пиковую эффективность вывода, равную 56% (см. Изображение). «Наша схема, основанная на прямом соединении волновода, улучшает вывод света за счет разделения плазмонной моды», — объясняет Ли.
Ученые ранее извлекали свет из плазмонных лазеров, проложив волновод очень близко к кольцу резонатора, но не касаясь его. Свет может проникать через зазор между лазером и волноводом из-за эффекта, называемого затухающей связью.
Но этот подход требует точного контроля размера зазора и оптических свойств материала в зазоре. Однако метод, разработанный командой, может быть реализован с использованием гораздо более простого изготовления устройства. «Сейчас мы находимся в процессе реализации такого устройства», — говорит Ли.