XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

Нанолазеры — это полупроводниковые наногетероструктуры. Сама гетероструктура представляет по сути, монокристалл, для конструирования которого применяются два различных по своему химическому составу материала: в полупроводнике находится чужеродный слой таким образом, что граница между различными материалами становится бездефектной. Именно этот момент весьма долгое время считался неосуществимым. [1]

Трудность заключается в том, что соединить оптику и электронику требуется на микроуровне. Для этого размеры оптических компонентов должны не превышать сотен нанометров. Встроенные в чипы лазеры, без которых преобразование информации из электрической формы в оптическую попросту невозможно, должны быть столь же миниатюрны [5].

Благодаря небольшой площади нанолазеры одни из лучших кандидатов для встроенных оптических вычислений.

Основные характеристики нанолазеров:

I. Субмикронный размер

Миниатюризация как электронных компонентов, так и устройств на их основе вызвала потребность в столько же компактных межсоединениях. Благодаря субмикронным размерам нанолазеры могут быть интегрированы на чип ­ основное преимущество нанолазеров над существующими полупроводниковыми аналогами [6].

II. Энергоэффективность

Энергия передаваемая нанолазеру затрачивается не только на генерацию лазерного излучения по средством вынужденной эмиссии, но также происходит диссипации энергии в виде омических потерь и безызлучательной рекомбинации носителей. Уменьшение влияния этих факторов позволит уменьшить потребляемую мощность, а также понизить тепловыделение в нанолазере [6].

III. Электрическая накачка

Электрическая накачка – это не только более эффективный способ достижения инверсной заселённости в активной среде в сравнении с оптической накачкой, но и единственная возможность для создания практичных интегральных устройств [6].

IV. Непрерывный режим генерации

Достижение непрерывного режима работы нанолазера, во­первых, может позволить модулировать сигнал по средством изменения подаваемого на нанолазер напряжения, тем самым исключая необходимость использования оптического модулятора. Во­вторых, для решения большинства поставленных перед лазерами задач требуется стационарное воздействие электромагнитного излучения [6].

V. Уровень шума

Спонтанная эмиссия вносит некогерентный вклад в генерируемое нанолазером излучение, создавая так называемый спонтанный шум. Процесс рекомбинации в полупроводниковых лазерах неизбежно сопровождается актами как вынужденной, так и спонтанной эмиссии. Влияние на степень зашумлённости сигнала оказывает добротность резонатора, наличие дефектов в активной среде и явление локального усиления спонтанной эмиссии (эффект Парселла) [6].

VI. Комнатная рабочая температура

При повышении температуры растут темпы безызлучательной рекомбинации и спонтанной эмиссии, что увеличивает пороговый ток для достижения лазерной генерации. При этом при большом токе инжекции нанолазер перегревается и генерация когерентного излучения прекращается. Поэтому при криогенных температурах излучение в каждом нанолазера достигается при малых токах инжекции и обладает меньшей зашумлённостью, но такой температурный режим мало практичен и для перехода в режим работы при комнатной температуре требуется детальное внимание к резонатору нанолазера, используемым материалам и к каждому этапу изготовления [6].

VII. Эффективная передача излучения в волновод

Для использования в оптических межсодинениях нанолазер должен генерировать излучение непосредственно в волновод минимизируя долю излучения распространяющуюся в свободное пространство. Например, нанолазер с вертикальным резонатором излучающий в подложку не может эффективно передавать излучение в волновод расположенный в плоскости подложки [6].

Типы нанолазеров

Лазер на микродисках

Рис.1 СЭМ-изображение лазера на микродисках с резонатором в режиме шепчущей галереи [2]

Микродисковый лазер - это очень маленький лазер, состоящий из диска со встроенными в него структурами квантовых ям. Его размеры могут существовать в микромасштабе или наномасштабе. Лазеры на микродисках используют резонансный резонатор в режиме шепчущей галереи [2].

Фотонно-кристаллический лазер

Лазеры на фотонных кристаллах используют периодические диэлектрические структуры с различными показателями преломления; свет может быть ограничен с помощью микрорезонатора на фотонных кристаллах. В диэлектрических материалах существует упорядоченное пространственное распределение [2].

Нанопроволочный нанолазер

Рис.2 Схема нанопроволочных лазеров [2]

Полупроводниковые нанопроволочные лазеры имеют квазиодномерную структуру с диаметром от нескольких нанометров до нескольких сотен нанометров и длиной от сотен нанометров до нескольких микронанолазеры [2].

Плазмонный нанолазер

Рис.3. Схематическая иллюстрация плазмонного нанолазера [2]

Процесс формирования генерации включает в себя передачу энергии, преобразующую фотоны в поверхностные плазмоны.

Нанолазер на основе поверхностного плазмона известен как плазмонный нанолазер, размер которого намного превышает предел дифракции света. В частности, если плазмонный нанолазер является наноскопическим в трех измерениях, его также называют spaser, который, как известно, имеет наименьший размер резонатора и размер моды. Разработка плазмонного нанолазера стала одним из наиболее эффективных технологических методов лазерной миниатюризации в настоящее время. Немного отличаясь от обычных лазеров, типичная конфигурация плазмонного нанолазера включает процесс передачи энергии для преобразования фотонов в поверхностные плазмоны. В плазмонном нанолазере или спазере экситонами являются уже не фотоны, а поверхностные плазмонные поляритоны. Поверхностные плазмоны представляют собой коллективные колебания свободных электронов на металлических поверхностях под действием внешних электромагнитных полей. В соответствии с их проявлениями, режим резонатора в плазмонных нанолазерах можно разделить на распространяющиеся поверхностные плазмонные поляритоны (SPP) и не распространяющиеся локализованные поверхностные плазмоны (LSP) [2].

SPP - это электромагнитные волны, которые распространяются вдоль границы раздела между металлом и средой, и их интенсивность постепенно уменьшается в направлении, перпендикулярном границе раздела. В 2008 году Олтон экспериментально проверил плазменный нанопроволочный лазер, состоящий из тонкого диэлектрического слоя с низкой отражательной способностью, растущего на поверхности металла, и усилительного слоя с высоким показателем преломления полупроводниковой нанопроволоки. В этой структуре электромагнитное поле может передаваться от слоя металла к слою промежуточного зазора, так что энергия моды сильно концентрируется, что значительно снижает потери энергии в металле [2].

Режим LSP существует во множестве различных металлических наноструктур, таких как металлические наночастицы (наносферы, наностержни, нанокубы и т.д.) и массивы наночастиц. В отличие от распространяющихся поверхностных плазмонных поляритонов, локализованный поверхностный плазмон не распространяется вдоль поверхности, а колеблется взад и вперед в наноструктуре в форме стоячих волнанолазеры Когда свет падает на поверхность металлических наночастиц, это вызывает реальное смещение поверхностного заряда относительно ионов. Притяжение между электронами и ионами обеспечивает колебание электродного облака и формирование локальной поверхности из поляризационного эксимера. Колебания электронов определяются геометрическими границами различных металлических наночастиц. Когда его резонансная частота согласуется с падающим электромагнитным полем, он формирует локализованный поверхностный плазмонный резонанс. В 2009 году Михаил А. Ногинов из Университета штата Норфолк в США впервые успешно проверил нанолазер на основе LSPs. Нанолазер в этой статье состоял из ядра Au, обеспечивающего плазмонный режим, и диоксида кремния, легированного красителем OG-488, обеспечивающего среду усиления. Диаметр ядра Au составлял 14 нм, толщина слоя кремнезема составляла 15 нм, а диаметр всего устройства составлял всего 44 нм, что было самым маленьким нанолазером на тот момент [2].

Новые типы нанолазеров

Кроме того, в последние годы было разработано несколько новых типов нанолазеров, приближающихся к пределу дифракции. Симметрия четности во времени связана с балансом оптического усиления и потерь в системе со связанными резонаторами. Когда контролируется контраст усиления–потери и константа связи между двумя идентичными, близко расположенными резонаторами, фазовый переход режимов генерации происходит в исключительной точке. Связанные состояния в непрерывном лазере ограничивают свет в открытой системе путем устранения состояний излучения посредством деструктивной интерференции между резонансными модами. Фотонный лазер с топологическим изолятором основан на оптическом режиме топологических изоляторов, где топологические состояния ограничены границами резонатора, и они могут быть использованы для формирования лазера. Все эти новые типы нанолазеров обладают высоким коэффициентом качества и могут достигать размеров резонатора и мод, приближающихся к пределу дифракции света. [2]

Применение

Лазеры в наше время широко применяются в телекоммуникационной сфере и, например, в медицине, но уменьшение их габаритов в тысячи раз способно сильно расширить сферу их применения. [1]

Благодаря уникальным возможностям, включая низкие пороги генерации, высокую энергоэффективность и высокие скорости модуляции, нанолазеры демонстрируют большой потенциал для практического применения в областях определения характеристик материалов, интегрированных оптических соединений и зондирования.[2]

Нанолазеры для определения характеристик материалов

Интенсивные оптические поля такого лазера также обеспечивают эффект усиления в нелинейной оптике или поверхностно-усиленном комбинационном рассеянии (SERS). Нанолазеры из нанопроволоки могут быть способны к оптическому обнаружению в масштабе одной молекулы с высоким разрешением и сверхбыстрой модуляцией.[2]

Нанолазеры для интегрированных оптических межсоединений

Интернет развивается с чрезвычайно высокой скоростью с большим потреблением энергии для передачи данных. Высокая энергоэффективность нанолазеров играет важную роль в снижении энергопотребления для будущего общества.[2]

Нанолазеры для зондирования

Недавно были продемонстрированы плазмонные нанолазерные сенсоры, которые могут обнаруживать специфические молекулы в воздухе и использоваться для оптических биосенсоров. Молекулы могут модифицировать поверхность металлических наночастиц и влиять на скорость поверхностной рекомбинации среды усиления плазмонного нанолазера, что способствует механизму восприятия плазмонных нанолазеров.[2]

Проблемы

Хотя нанолазеры показали большой потенциал, все еще существуют некоторые проблемы, связанные с крупномасштабным использованием нанолазеров, например, нанолазеров с электрическим впрыском, разработкой конфигурации резонаторов и улучшением качества металла. Для нанолазеров реализация работы с электрическим впрыском или накачкой при комнатной температуре является ключевым шагом на пути к его практическому применению. Однако большинство нанолазеров имеют оптическую накачку, и реализация нанолазеров с электрической инжекцией в настоящее время по-прежнему является основной технической проблемой. Только в нескольких исследованиях сообщалось о нанолазерах с электрической инжекцией. Более того, по-прежнему остается сложной задачей разработка конфигурации резонатора и улучшение качества металла, которые имеют решающее значение для удовлетворения требований к высокой производительности нанолазеров и достижения их применения. В последнее время нанолазерные матрицы демонстрируют большой потенциал для повышения энергоэффективности и ускорения скорости модуляции.[2].

Список литературы

1. Gigabaza.ru, Нанолазеры [Электронный ресурс]. URL: https://gigabaza.ru/doc/79212.html (дата обращения 09.12.2022).

2. Википедия, Нанолазер [Электронный ресурс]. URL: https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.1832b4bc-63937965-ed160d83-74722d776562/https/en.wikipedia.org/wiki/Nanolaser (дата обращения 09.12.2022).

3. Большая российская энциклопедия, Нанолазер [Электронный ресурс]. URL: https://bigenc.ru/physics/text/2247869 (дата обращения 09.12.2022).

4. Cnews, Нанолазеры: будущее технологии и рынка [Электронный ресурс]. URL: https://www.cnews.ru/articles/nanolazery_budushchee_tehnologii_i_rynka (дата обращения 09.12.2022).

5. Новости ВПК, Разработан нанолазер для микропроцессоров будущего [Электронный ресурс]. URL: https://vpk.name/news/445145_razrabotan_nanolazer_dlya_mikroprocessorov_budushego.html (дата обращения 09.12.2022).

6. МФТИ, Высокодобротные плазмонные резонаторы для инжекционных нанолазеров [Электронный ресурс]. URL: https://mipt.ru/upload/medialibrary/882/2016MS_Sterlikova.pdf (дата обращения 09.12.2022).

Код для цитирования: Скопировать