Будущее техники отразилось в идеальном нанозеркале

Свыше 99,9% падающего излучения отражает новое зеркало, построенное физиками США. А ведь толщина его составляет всего-то 0,23 микрометра. Специалисты говорят, что новинка способна улучшить параметры многих компьютерных устройств, где применяется лазерная оптика.

Изобретение американцев называется замысловато — "Контрастная решётка с высоким индексом преломления и шагом меньше длины волны" (high-index contrast sub-wavelength grating — HCG). Создали её Конни Чан-Хаснейн ( Connie J. Chang-Hasnain), директор Центра оптоэлектроники, наноструктур и полупроводниковых технологий Университета Калифорнии в Беркли ( CONSRT), да её аспиранты Майкл Хуан (Michael Huang) и Е Чжоу (Ye Zhou).

Однако, прежде чем рассказать о сути новинки, необходимо сделать небольшое отступление. Ранние версии полупроводниковых лазеров использовали в качестве зеркал кристаллы, которые обеспечивали коэффициент отражения в 30%. Это не слишком много, если учесть, что зеркала в лазере обеспечивают многократный пробег фотонов через рабочую среду, где они вызывают генерацию новых фотонов, вся эта лавина накапливается и, в конечном счёте, выходит через одно из зеркал (полупрозрачное) в виде лазерного луча.

Для лазеров типа VCSEL в своё время были разработаны зеркала с отражением от 99% до 99,9%. Поясним, VCSEL – это vertical-cavity surface-emitting lasers, то есть поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором – высокоэффективная разновидность лазерного диода.

А чудо-зеркалами для VCSEL служит пара так называемых распределённых рефлекторов Брэгга. Состоит такое зеркало из десятков чередующихся чрезвычайно тонких слоёв полупроводников двух типов: арсенида галлия (GaAs) с индексом преломления 3,6 и арсенида алюминия-галлия (AlGaAs) с индексом преломления 3.

Такая комбинация, при условии достаточного числа слоёв (порядка 80), и создаёт зеркало с необычайно высоким коэффициентом отражения. Каждая пара соседних слоёв возвращает назад лишь небольшую часть упавшего света, но 80 вместе – уже почти весь.

Однако общая толщина такого пирога может достигать 5 микрометров, что, не удивляйтесь, для ряда перспективных применений — многовато.

Но главное в том, что высокая точность, необходимая для формирования этих слоёв, требует сложного производственного процесса, что отражается и на цене такого зеркала.

Вот тут-то на сцену выходит сегодняшняя новинка – зеркало HCG. Оно в 20 раз тоньше рефлектора Брэгга, при этом показывает отражающую способность больше чем 99,9%. И самое приятное – изготавливать его намного проще и дешевле.

В HCG работают всего два слоя. Один из которых – воздух, а второй — арсенид алюминия-галлия. Но не сплошной, а сформированный в виде решётки, с углублениями, разделёнными расстоянием меньшим, чем длина волны падающего света. Свет этот направлялся в углубления, а там, сталкиваясь с границей раздела полупроводник-воздух, отбрасывается назад.

Исследователи отметили, что воздух как компонент с низким индексом преломления могли бы заменить другие материалы. Например, диоксид кремния, с индексом преломления равным 1,5.

Поскольку лазеры типа VCSEL используются в оптических коммуникациях, оптических мышах и других системах, требующих низкого расхода энергии, высокоэффективные, и при этом дешёвые и технологичные зеркала HCG смогли бы обеспечить тут если не революцию, то существенный скачок вперёд. DVD-приводы, лазерные принтеры, оптические компьютеры, наконец, также можно будет улучшить благодаря работе Чан-Хаснейн.

Сравнение зеркала HCG (слева) и распределённого рефлектора Брэгга. На разрезе HCG тёмно-синим цветом показана полупроводниковая решётка, голубым — воздух (иллюстрация Michael Huang, UC Berkeley).

Кстати, новое зеркало работает в более широком диапазоне частот, чем зеркало Брэгга. А это важно, поскольку оптические технологии всё больше полагаются на сине-фиолетовые лазеры. Более короткая длина волны даёт возможность применить более высокую плотность упаковки, к примеру, питов (углублений, кодирующих биты) на лазерных дисках.

Исследователи также работают над мобильным зеркалом HCG для микроэлектромеханических систем (MEMS), вроде лазеров с настройкой длины волны. "Сокращение размера зеркала лазера означает существенное сокращение веса, что является особенно важным для быстродействующих устройств MEMS", — говорит Чан-Хаснейн.

Авторы нового зеркала также добавляют, что их детище можно напечатать на той или иной поверхности. А это позволит создавать по новой технологии тонкие и лёгкие органические полимерные дисплеи.

В общем, тонкие полупроводниковые полоски, которые и глазом разглядеть невозможно, в перспективе станут основой для массы новых устройств, извлекающих выгоду из впечатляющего параметра отражения HCG в 99,9%.

membrana