Современные технологии невозможно представить без компактных лазерных систем. Они работают в различных устройствах, с их помощью ведется передача данных, даже эта статья прошла часть пути от сервера до устройства читателя по оптоволоконным системам, и в этом помогли небольшие оптические устройства.
Однако для дальнейшего развития оптических технологий необходимо сделать лазеры еще компактнее. И тут возникает проблема. Важной частью полноценной лазерной системы является резонатор. Это устройство, которое как бы «ловит» свет и удерживает его вокруг себя, чтобы тот накопил энергию, достаточную для создания лазерного пучка. Однако, чем меньше размер устройства, тем сложнее ему удержать свет достаточно долго, особенно когда резонатор становится по своим размерам меньше, чем длина волны.
«Одно из требований для создания лазерной системы заключается в том, чтобы квант света, фотон, жил в резонаторе достаточно долго, поэтому сделать эффективный резонатор размером порядка или меньше длины волны очень сложно. Свет из такого резонатора будет просто "вылезать"», — объясняет доцент Нового физтеха Университета ИТМО Михаил Петров.
Собрать в цепочку
Ученые Университета ИТМО совместно с коллегами из нижегородского Института физики микроструктур и немецкими партнерами из Университета Галле-Виттенберга попытались решить проблему. Они решили обойти ограничение, собрав несколько сверхкомпактных резонаторов в одну систему.
«Мы выяснили, что можно немного схитрить и взять очень маленький резонатор, но не один, а целый ансамбль, в нашем случае цепочку, — объясняет Михаил Петров. — Можно представить себе цепочку, собранную из грузиков и пружинок и, если ее задеть, то она будет долго сохранять энергию движения за счет своих колебаний. Здесь мы реализовали сходный принцип, свет будет долго колебаться в связанной цепочке резонаторов за счет высокой добротности коллективной моды, накапливая энергию для лазерного излучения».
Пока ученые показали систему, выстроенную как поезд, когда резонаторы идут один за другим, как вагоны в составе. Но возможны и другие геометрии: веерная, круговая, полукруговая, в зависимости от конкретных задач.
Уменьшая размер
Потенциально разработка ученых может быть использована для уменьшения общих размеров лазерных установок в различных устройствах, в том числе телекоммуникационных. Поскольку позволит сделать их резонатор компактнее.
«Пока практически нет материалов, которые позволили бы делать одиночные резонаторы, сравнимые с нашей цепочкой по размерам и превышающие их в добротности, — говорит Михаил Петров. — Наши коллеги по факультету недавно обнаружили материал, который в перспективе можно для этого использовать, но технология под него пока не разработана».
Однако, даже если подобные материалы и технологии появятся, то предлагаемый подход можно использовать и для них, создавая сверхэффективные устройства.
«При разработке дизайна резонаторов мы фактически используем дополнительную степень свободы, подбирая геометрию и изменяя расположение элементов в ансамбле нанорезонаторов», — добавляет Михаил Петров.
Прямо на чипе
В своей работе ученые использовали материалы устройства на основе элементов IV группы ― кремния и германия. Такой подход позволяет решить еще одну проблему — устранить технологический «шов» между оптоэлектронными системами, основанными на полупроводниковых материалах III-V группы, такими как арсенид галлия, и электронными микросхемами, изготовленными по кремниевой технологии. Это позволит в будущем значительно упростить оптоэлектронные системы, что в том числе положительно скажется на скорости передачи данных.
«Все, что мы показали, может быть сделано полностью на кремнии, — объясняет Михаил Петров. — Нанорезонаторы могут быть вытравлены на той же интегральной платформе, на которой создана электронная система, там же может быть создана необходимая электрическая разводка, на том же самом чипе».
В будущем это может упростить и удешевить устройства для преобразования оптического сигнала в электронный и наоборот.
Новые лазерные системы
В последние годы исследователи всего мира бьют рекорды по созданию самых компактных лазеров. В этой гонке отметились и ученые Университета ИТМО. Однако важной особенностью является то, что пока эти системы необходимо «накачивать» энергией при помощи излучения другого лазера.
Чтобы полноценно использовать такие компактные лазеры, нужно в том числе научиться возбуждать их с помощью электрического тока, а не за счет лазерной накачки. Это предполагается сделать, в частности, в рамках работ по новому мегагранту Университета ИТМО.
Как отмечает Михаил Петров, предложенная его группой разработка на основе ансамбля нанорезонаторов может быть использована для этих целей.
Работа опубликована в журнале ACS Photonics.
Статья: Viktoriia Rutckaia, Frank Heyroth, Georg Schmidt, Alexey Novikov, Mikhail Shaleev, Roman S. Savelev, Joerg Schilling, Mihail Petrov. Coupling of Germanium Quantum Dots with Collective Sub-radiant Modes of Silicon Nanopillar Arrays. ACS Photonics 2020/10.1021/acsphotonics.0c01319
