Ученые Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге исследовали, как размер резонатора влияет на температуру работы микродискового лазера с квантовыми точками в режиме двухуровневой генерации. Выяснилось, что микролазеры способны генерировать излучение на нескольких частотах даже при высокой температуре. Это позволит в будущем использовать микролазеры в фотонных интегральных схемах и передавать в два раза больше информации.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nanomaterials. Информацию в интегральных микросхемах, например в процессорах домашних компьютеров, передают с помощью электрических сигналов, распространяющихся по металлическим дорожкам. Для передачи данных на большие расстояния, например для доставки информации из интернета в компьютер, используется оптоволокно. Информацию переносит световой сигнал, который распространяется в 100 раз быстрее электрического, и поэтому ученые ищут способ использовать свет для передачи данных внутри микросхем, увеличивая их производительность.
Световой сигнал создают лазеры, преобразующие электрическую энергию в свет строго определенной длины волны и направленности. В традиционных полупроводниковых лазерах при преобразовании энергии в излучение используется резонатор Фабри — Перо размером около одного миллиметра — два стоящих напротив друг друга зеркала. Такой тип резонатора слишком большой для современных процессорных интегральных схем. А при попытках уменьшить его до желаемого размера в сотни микрометров резонатор сильно теряет в рабочих характеристиках.
В 1992 году группа ученых Лаборатории Белла предложила новую парадигму — дисковый или кольцевой резонатор. Внутри диска или кольца луч света распространяется по кругу, практически полностью отражаясь от границ резонатора. Это явление известно как эффект шепчущей галереи. Лазеры такой формы работают, даже когда их размеры уменьшают до единиц микронов, что уже подходит современной электронике, например, для передачи данных между элементами микросхем.
В круглых галереях некоторых зданий шепот хорошо распространяется вдоль стен, но не слышен в остальной части помещения. Эффект шепчущей галереи в круглых помещениях связан с распространением вдоль стены акустической волны, испытывающей многократное полное внутреннее отражение. Впервые эффект был исследован лордом Рэлеем в шепчущей галерее собора Святого Павла в Лондоне.
Обычно лазер излучает строго на одной длине волны — генерирует монохроматическое излучение. В 1999–2000 годах две группы ученых предложили в активной области микролазера использовать слои с квантовыми точками, как это уже делалось в классических полупроводниковых лазерах. Квантовые точки при определенных условиях могут позволять микролазеру излучать на двух хорошо различимых длинах волн. Это явление известно как двухуровневая генерация.
«В режиме двухуровневой генерации лазер может одновременно генерировать излучение на двух длинах волн (например, красного и оранжевого цвета). При этом мы можем управлять тем, каким именно цветом светит лазер: только красным, только оранжевым или обоими цветами одновременно. Это открывает большие возможности для кодирования передаваемой информации и, соответственно, повышения пропускной способности таких систем», — комментирует один из авторов статьи, научный сотрудник Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург Иван Махов.
Но, как отмечают ученые, генерация на двух длинах волн в микродисковых лазерах с квантовыми точками возможна не всегда. Для каждого диаметра резонатора при достижении определенной высокой критической температуры одно из двух излучений исчезает. Ученые из НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге провели ряд экспериментов, для того чтобы выяснить, как именно размер резонатора влияет на критическую температуру. Был исследован температурный диапазон от 20 °C до 110 °C. Выяснилось, что чем выше температура, тем меньше энергии нужно лазеру для одновременной генерации двух различимых излучений. Также исследователи зафиксировали, что критическая температура падает с 107 до 37 °C при уменьшении диаметра микродиска с 28 до 20 мкм.
По итогам эксперимента удалось вывести уравнения, позволяющие на основе размера резонатора определить критическую температуру и плотность порогового тока для двухуровневой лазерной генерации. Ученые отмечают, что теперь, зная, в каких условиях будет работать электроника, можно будет выбрать для нее оптимальный по размеру резонатор лазера.
Исследователи также назвали и другое применение лазера с двухуровневой генерацией. Его можно использовать в нейроморфных нейронных сетях, где имитируется поведение нейронов в мозге, — тогда одна из длин волн соответствует импульсу возбуждения, а другая — импульсу торможения.
Исследование выполнено в рамках НИР «Исследование переключения частоты генерации в микродисковых лазерах с квантовыми точками для высокоскоростной передачи данных» стратегического проекта НИУ ВШЭ «Цифровая трансформация: технологии, эффекты, эффективность» по программе «Приоритет-2030».