Люди все чаще используют устройства на основе микроскопических лазеров и работающих на их основе оптических чипов. Они нужны для создания лидаров, разработки новых биосенсоров. А в перспективе они могут лечь в основу новых оптических компьютеров, которые будут передавать и обрабатывать информацию не с помощью движения электронов, а с помощью частиц света ― фотонов.

Сейчас зачастую оптические чипы работают в инфракрасном диапазоне, то есть лазер в них излучает свет в ИК-спектре, не видимом человеческому глазу.

«Однако для дальнейшей компактизации необходим переход в видимый диапазон, поскольку размер чипа зависит от длины волны, на которой идет излучение», ― рассказывает главный научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО Сергей Макаров.

Слева направо: Павел Трофимов, Анатолий Пушкарев, Иван Синев и Сергей Макаров. Фото предоставлены авторами статьи
Слева направо: Павел Трофимов, Анатолий Пушкарев, Иван Синев и Сергей Макаров. Фото предоставлены авторами статьи

Проблема кремния

Оптический чип состоит из таких основных компонентов, как лазер и волноводы. Если сделать источник, который бы генерировал лазерное излучение в зеленом или красном спектре, сравнительно просто, то с волноводом проблема сложнее.

«Микролазер является источником излучения, который в дальнейшем нужно выводить куда-то, для этого и существуют волноводы, ― поясняет старший научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО Иван Синев. ― Однако стандартные кремниевые волноводы, которые используются в инфракрасной оптике, не работают в видимом диапазоне. Они передают сигнал не далее, чем на несколько микрометров. Для оптического чипа нам нужна передача на десятки микрометров, при этом локализация света в этих волноводах должна быть высокая, чтобы волновод имел максимально тонкий поперечник, а свет при этом бежал бы по нему достаточно далеко».

Ранее ученые предпринимали попытки заменить кремниевые волноводы на серебряные, однако и в таких системах расстояние передачи сигнала также не было достаточным.

Оптический чип в чашке Петри

В итоге группа ученых, в которую вошли специалисты Университета ИТМО, Академического Университета им.Ж.И. Алферова, а также Университета Лотарингии, выбрали в качестве материала для волноводов фосфид галлия (GaP). Этот материал обладает очень маленькими потерями в большей части видимой части спектра и высоким показателем преломления. При этом сам микролазер сделан из галогенидного перовскита. Однако самое главное, что источник света сам растет на волноводе в обычной чашке Петри.

«Прелесть подхода в том, что мы сразу создаем перовскитные микролазеры с внедренными в них нановолноводами, ― отмечает Сергей Макаров. ― Это делается путем сокристаллизации GaP нановолновода и перовскитного микролазера в растворе перовскитных чернил. То есть мы уходим от дорогих методов нанолитографии к методам растворной химии, что значительно проще и дешевле. После этого лазер с волноводом высаживается на подложке, формируя основу для оптического чипа».

Получившиеся системы способны передавать световой сигнал на расстояние, которое значительно больше, нежели у аналогов с серебряными или кремниевыми нановолноводами. При этом размер элементов чипа примерно в три раза меньше, нежели у аналогов, работающих в инфракрасном спектре.

Иллюстрация из статьи в ACS Nano / pubs.acs.org

Иллюстрация из статьи в ACS Nano / pubs.acs.org

Настройка цвета

Еще одной особенностью чипа является возможность легко настраивать световой диапазон лазера от зеленого до красного. Причем цвет излучения можно поменять после создания чипа, и этот процесс обратим.

«Изменение цвета излучения оптического чипа происходит химическим методом, ― поясняет старший научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО Анатолий Пушкарев. ― Мы помещаем подложку с оптическим чипом в пары иодоводородной или бромоводородной кислоты всего на пару минут. Этого времени вполне достаточно, чтобы произошел анионный обмен между перовскитным микролазером и молекулами кислоты, который меняет химический состав перовскита, а значит и длину волны его излучения».

Это может быть полезно для устройств, где необходима передача сигнала на разных длинах волн. Так, для подобного устройства можно создать несколько разных лазеров, подключить их к одному волноводу, и тогда по нему будет идти сразу несколько световых сигналов разного цвета.

Иллюстрация из статьи в ACS Nano / pubs.acs.org

Иллюстрация из статьи в ACS Nano / pubs.acs.org

Антенна для подключения

Также ученые установили на созданный ими чип оптическую наноантенну из перовскита, которая улавливает сигнал, идущий по волноводу, позволяя связать источник и приемник-преобразователь в одну систему.

«Мы добавили наноантенну на другой конец нашего волновода, ― говорит аспирант физико-технического факультета Университета ИТМО Павел Трофимов. ― То есть у нас есть генератор света, волновод и наноантенна, которая светится под воздействием излучения микролазера. К ней мы приставили другой волновод. В результате излучение от одного лазера передавалось на два волновода. При этом наноантенна не только эффективно связывала все это в единую систему, но и преобразовывала часть зеленого света в красный спектр. Таким образом, была одна длина волны ― стало две, был один канал ― стало два».

Работа ученых была опубликована в одном из ведущих научных журналов ACS Nano.

Статья: Pavel Trofimov, Anatoly P. Pushkarev, Ivan S. Sinev, Vladimir V. Fedorov, Stéphanie Bruyère, Alexey Bolshakov, Ivan S. Mukhin, and Sergey V. Makarov. Perovskite - Gallium Phosphide Platform for Reconfigurable Visible-Light Nanophotonic Chip, ACS Nano, 2020/10.1021/acsnano.0c01104