Создан плазмонный лазер, способный переключаться с огромной скоростью

Те люди, которые занимаются разработкой электронной и полупроводниковой техники следующих поколений, достаточно давно смотрели на фотоны света с точки зрения перспективы их использования в качестве носителей информации. Тем не менее, у этой медали есть и обратная сторона, использование света в прямом виде ограничит пределы миниатюризации устройств, ведь минимальные размеры их компонентов должны быть равны по крайней мере половине длины волны света. Это, в свою очередь, означает, что минимальные размеры элементов фотонных чипов должны составлять несколько сотен нанометров, что существенно больше, чем десятки нанометров, которые обеспечивают современные полупроводниковые технологии.
Но некоторые группы ученых предлагают вместо чистых фотонов использовать плазмоны, волны свободных электронов на поверхности определенных металлов, возникающие при воздействии света на эту поверхность. Такой подход позволит создавать фотонно-плазмонные чипы, размеры элементов которых будут уже сопоставимы с размерами элементов самых передовых на сегодняшний день полупроводниковых чипов. И, естественно, ключевым моментом такого подхода является некий плазмонный нанолазер, который за счет использования плазмонов сможет сфокусировать свет на площади, размер которой намного меньше длины волны используемых фотонов света.

Разработка плазмонных нанолазеров важна не только из-за малых размеров таких лазеров, плазмонные лазеры удивительно быстры, их излучение можно модулировать очень и очень высокими частотами. И создать один из первых высокоскоростных плазмонный нанолазеров удалось ученым из Имперского колледжа в Лондоне и Иенского университета, Германия. Это крошечное устройство может включаться и отключаться тысячи миллиардов раз в секунду, работая на частотах терагерцового диапазона. И это в тысячи раз быстрее, нежели могут работать самые наилучшие образцы современных лазеров других типов.

В качестве среды, излучающей когерентный свет, в новом лазере используется нанопроводник из окиси цинка, диаметр которого составляет несколько сотен нанометров, а длина – порядка 10 микрометров. Этот нанопроводник уложен на серебряную положку, с которой его соединяет тонкий слой диэлектрического материала, толщиной около 10 нанометров.

Как и большинству других экспериментальных нанолазеров, плазмонному нанолазеру для приведения его в действие требуется свет от другого лазера. Накачивающий лазер “стреляет” в нанопроводник импульсами с частотой 800 тысяч раз в секунду. Каждый из выстрелов лазера накачки приводит к формированию в нанопроводнике импульса вторичного лазерного излучения, длительностью всего 800 фемтосекунд.

Далее импульсы вторичного излучения усиливаются плазмонами, возникающими в 10-нанометровом пространстве между нанопроводником и подложкой. “Поверхностные плазмоны, удерживающие свет в области между металлом и нанопроводником, выступают в роли усилителя света” – рассказывает Темис Сидиропулос (Themis Sidiropoulos), физик из Имперского Колледжа, Лондон, – “Это усиление излучения производится за счет эффекта Парселла и это приводит к значительному увеличению быстродействия плазмонного нанолазера”.
К сожалению, оптическая накачка нанопроводника плазмонного лазера является препятствием к полному раскрытию потенциала такой технологии. Для того, чтобы добиться возможности практического применения плазмонного лазера в области коммуникаций, в фотонных устройствах и вычислительных системах, оптическая накачка должна быть заменена электрической. “Это, к сожалению, еще пока очень сложно реализовать” – рассказывает профессор Сидиропулос, – “Но над этой проблемой работает множество талантливых ученых и я надеюсь, что в скором времени эта проблема не устоит под их напором”.