wersja mobilna
Online: 671 Sobota, 2016.12.03

Technika

Nanolasery

wtorek, 10 maja 2011 11:57

Historia laserów liczy już przeszło 50 lat. Od 1960 roku obserwujemy dynamiczny wzrost zainteresowań i rozwój badań związany ze źródłami promieniowania koherentnego. Poszukiwane są wciąż nowe materiały oraz technologie pozwalające tworzyć struktury laserowe o coraz mniejszych rozmiarach, mniejszych nawet od generowanej długości fali. Takie struktury optyczne byłyby integrowane z elementami elektronicznymi, tworząc urządzenia o nowych właściwościach elektrooptycznych.

Spis treści » Zmniejszenie wymiarów
» Najmniejszy z najmniejszych
» Podsumowanie
» Pokaż wszystko

Rys. 1. Nanodruty tlenku cynku na podłożu szafirowym

Obecne starania naukowców w zakresie komunikacji optycznej skupione są na zastępowaniu urządzeń elektronicznych ich szybszymi odpowiednikami wykorzystującymi jako nośnik informacji światło. Jednak dzisiejsze komputerowe obwody elektroniczne stały się tak złożone, skomplikowane funkcjonalnie, że całkowite ich zastąpienie przez elementy optyczne wydaje się niemożliwe. Uwaga skupia się zatem na zastosowaniu laserów i komponentów optycznych jako szybkich i szerokopasmowych mediów do komunikacji, na przykład, pomiędzy wyspecjalizowanymi procesorami elektronicznymi.

Dotychczasowe lasery i komponenty optyczne rozmiarami znacznie przewyższają elektronikę, a ich integracja przysparza wciąż sporo problemów. Trudno jest przecież zintegrować urządzenia oparte na dwóch niemalże całkowicie różnych technologiach, zwłaszcza gdy urządzenie optyczne są przeciętnie 1000 razy większe od elektronicznych. Badania nad nanostrukturami emitującymi promieniowanie musiały się zacząć. Zmniejszanie wymiarów konwencjonalnych laserów wydaje się bardzo trudne, gdyż już osiągnięto rozmiary dla nich niemalże krytyczne.

Rys. 2. Schemat wnęki rezonansowej w strukturach laserowych wykorzystujących nanodruty. Wnęka tworzona jest w sposób naturalny, gdzie jedno ze zwierciadeł to podłoże, na którym hoduje się nanostrukturę, zaś drugie zwierciadło to granica ośrodków (nanodrut - powietrze). Generowane promieniowanie wykorzystuje nanodrut jako falowód optyczny.

Tradycyjny laser generuje promieniowanie dzięki uzyskaniu dodatniego sprzężenia zwrotnego oraz wzmocnieniu. Dzieje się tak, gdy światło "krąży" pomiędzy dwoma zwierciadłami w optycznej wnęce rezonansowej wypełnionej obszarem aktywnym. Jedno ze zwierciadeł jest najczęściej całkowicie odbijające promieniowanie, a drugie półprzepuszczalne. Przemieszczający się pomiędzy dwoma zwierciadłami foton oddziałuje z elektronami materiału ośrodka aktywnego, powodując, między innymi, emisję kolejnego fotonu o tych samych właściwościach (zgodnym kierunku, fazie i długości fali), co foton wzbudzający.

Powstałe w ten sposób fotony stymulują powstawanie kolejnych. Część skumulowanych nośników optycznych opuszcza wnękę optyczną, powodując emisję koherentnej wiązki świetlnej. Optyczne refl ektory potrzebne do uformowania wnęki laserowej w strukturach półprzewodnikowych stanowią najczęściej, gdyż uzyskiwane w najprostszy sposób, powierzchnie graniczne ośrodków (chip-powietrze) z napylonymi, szeroko wykorzystywanymi w fotonice, materiałami dielektrycznymi o właściwościach całkowicie bądź częściowo odbijającymi promieniowanie elektromagnetyczne.

Jednak wnęka laserowa i zwierciadło mogą być utworzone na kilka różnych sposobów, a więc wspomniany wcześniej, wykorzystujący powierzchnie graniczne krańców struktur fotonicznych tworzy wnękę laserową typu Fabry-Pérot. Inną metodą jest zastosowanie zwierciadeł Bragga - siatek DBR (Distributed Bragg Reflector), czyli uporządkowanych serii warstw półprzewodnikowych o zmiennym współczynniku załamania.

Rys. 3. Struktura wnęki laserowej widziana jako prostopadłościenny półprzewodnikowy filar otoczony cienką warstwą srebra, a po prawej stronie zdjęcie półprzewodnikowego rdzenia jednego z laserów

Możliwe jest też konstruowanie laserów o kształcie mikrodysków, pętli, toroid lub sfer, w których promieniowanie krąży w zamkniętym obwodzie, a do jego odsprzęgania z wnęki laserowej wykorzystuje się np. układy interferometryczne. W większości laserów obszar aktywny wnęki laserowej ma długość od kilku mikrometrów do kilku metrów. Konwencjonalne lasery półprzewodnikowe charakteryzują się rozmiarami rzędu kilku-kilkuset mikrometrów, a ich pompowanie następuje najczęściej drogą elektryczną, poprzez wstrzykiwanie elektronów.

Promieniowanie elektromagnetyczne nie może być zamknięte w obszarze mniejszym od połowy jego długości fali, w przeciwnym razie zacznie "wyciekać" z wnęki. Tradycyjne źródła promieniowania generujące w zakresie widzialnym widma nie mogą być zatem mniejsze niż 200-300nm. Zmniejszanie rozmiarów konwencjonalnych struktur wydaje się zatem niemożliwe. Dla przykładu, obecne stosowane tranzystory mierzą dziesiątki nanometrów.

Aby fotoniczne urządzenia mogły być stosowane i wytwarzane w układach o bardzo wysokiej skali integracji (VLSI) oraz integrowane z półprzewodnikowymi komponentami elektronicznymi, ich wymiary powinno się zmniejszyć do rzędu submikronów. Lasery półprzewodnikowe muszą także spełnić szereg wymagań dotyczących sposobu ich zasilania, zmniejszenia wartości prądu progowego (determinującego akcję laserową), jak również możliwości bardzo szybkiej modulacji sygnału (rzędu kilkudziesięciu GHz).

Mikrolaser z obwodem rezonansowym

Pokazany na zdjęciu mikrolaser opracowany został przez grupę szwajcarskich naukowców z Zurychu. Struktura ma długość 30μm i wysokość 8μm. Do generacji promieniowania wykorzystano oryginalne rozwiązanie będące obwodem rezonansowym składającym się z cewki i dwóch kondensatorów, a nie z tradycyjnego rezonatora optycznego.

Działa on na częstotliwości 1,5 THz. Mimo że laser ten charakteryzuje się wymiarami mniejszymi od struktury włosa, to wydaje się olbrzymem w porównaniu do laserów o nanometrowych rozmiarach.