Paprsek z čipu

Fotonické krystaly umožní využití kvantového kaskádového laseru. Bellovy laboratoře, výzkumná divize společnosti Lu...


Fotonické krystaly umožní využití kvantového kaskádového laseru.
Bellovy laboratoře, výzkumná divize společnosti Lucent Technologies, pracují na
aplikacích kvantového kaskádového laseru (QCL), nového typu polovodičového
laseru, který v dohledné době umožní např. komplementaci optických prvků do
čipů a vývoj vysoce citlivých detektorů.
Laser, optický kvantový generátor využívající jevu zesílení světla nucenou
emisí záření, byl poprvé zkonstruován koncem 50. let minulého století právě v
Bell Labs v Murray Hill. Jak jsme na stránkách Computerworldu informovali (CW
22/2003), přednedávnem vznikl v Bell Labs i prototyp nového druhu laseru.
Technologie, označovaná jako kvantový kaskádový laser (quantum cascade laser,
QCL), pracuje na poněkud odlišném principu než běžné polovodičové lasery,
využívané běžně např. v optických mechanikách. Základní inovace tkví v tom, že
jestliže dosud lasery dokázaly emitovat pouze monochramatické (jednobarevné)
světlo, nyní to už není pravda.

Kvantové přechody
Kvantový kaskádový laser (QCL) pracuje, stejně jako většina ostatních druhů
laserů, na principu kvantových přechodů. Prostředí, v němž k těmto jevům
dochází, se skládá z nesmírně tenkých vrstev polovodičů. Mezi nimi, v jakési
kvantové jímce o velikosti maximálně jednoho nanometru, tvořené tenounkou
vrstvičkou galia a hliníku, dochází ke kvantovým jevům, kdy se elektrony
dostávají do excitovaného stavu, ztrácejí energii a vyzařují fotony. Elektron
přitom nevyzařuje foton jednou, jako v dosavadních laserech, ale vícekrát, v
jakýchsi kaskádách. Dociluje se toho tím, že je elektron uzavřen v "kvantové
pasti" a sestupuje jakoby v kaskádách z jedné vrstvy do druhé, přičemž při
každém novém skoku znovu emituje foton. Právě z tohoto důvodu je nový typ
laseru daleko výkonnější než dosavadní technologie.
Koncem října došlo k dalšímu pokroku na tomto poli. V Bellových laboratořích
byl představen fotonický krystal s vynikajícími optickými vlastnostmi, který
umožní využití QCL v mikroa nanotechnologických aplikacích. Na vývoji těchto
aplikací pracují vědci z Bell Labs ve spolupráci s dalšími špičkovými vědeckými
pracovišti, zejména s Nanotechnologickým střediskem v New Jersey (New Jersey
Nanotechnology Consortium) a univerzitami v Kalifornii a Massachusetts
(California Institute of Technology, Harvard University).

Přínosy QCL
Kvantový kaskádový laser, jenž patří do třídy vysoce kvalitních polovodičových
laserů, vykazuje řadu výhodných vlastností, využitelných v optoelektronických
přístrojích nové generace. Tím, že dokáže emitovat světlo kontinuálně, jej
můžeme přirovnat k jakémusi "elektronovému vodopádu". Prochází-li totiž laserem
proud, elektrony emitují fotony, které se vyzařují v podobě infračerveného
světla. Zatímco u dosavadních QCL bylo obtížné kontrolovat emise záření,
zařízení využívající fotonické krystaly to umožňují. Dopadá-li světlo na tyto
krystaly, lze s velkou přesností určit směr a interakci odrážející se kaskády
fotonů (to umožňují právě velmi přesné strukturální vzory krystalů).
Díky designu těchto vzorů se tedy z QCL stává snadno řiditelný jev, čehož lze
velmi výhodně využít jak pro rychlejší přenos dat, tak i jako základní součást
supersenzitivních detektorů. Vznikající laserový paprsek může dosahovat délky
pouhých 50 mikronů, což umožní jev QCL využít i mikrooptoelektronických čipech.
Nejvýznamnější přínos kvantového kaskádového laseru je v kombinaci optických a
elektronických jevů. Laserový paprsek tak může být v budoucnosti s velkou
přesností emitován přímo z přesně upraveného povrchu čipů. Díky této schopnosti
bude možné zkonstruovat také velmi citlivé detektory, které dokáží okamžitě
reagovat např. na velice jemné změny, vyvolané chemickými reakcemi mezi jen
relativně mladým množstvím molekul.









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.