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
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. |
Zmniejszanie wymiarów
Rys. 4. Nanolaser działający w temperaturze pokojowej (300K). Precyzyjny wzrost cienkich warstw dielektrycznych i metalicznych jest kluczowym elementem poprawnego funkcjonowania tego typu półprzewodnikowych urządzeń
Próby polegające na zmniejszaniu laserów widoczne już były w 2001 roku, kiedy to jedna z grup naukowców zademonstrowała pierwszy laser zrealizowany z nanodrutów tlenku cynku (ZnO). Nanostruktury były wielkości rzędu 100nm (rys. 1). Mimo że lasery te charakteryzowały się niezwykle małymi rozmiarami w dwóch wymiarach, to ich długość 4-10 mikrometrów pozwalała fotonom propagującym się w ich wnętrzu na uzyskanie wzmocnienia wystarczającego do zapoczątkowania akcji laserowej.
Długość generowanej fali mieściła się w zakresie 370-400nm. Do zastosowań telekomunikacyjnych wykonuje się analogiczne struktury optyczne z materiałów półprzewodnikowych grup III-V oraz II-VI. Takie nanodruty mogą charakteryzować się odmienną geometrią, jednak wnęka laserowa jest tworzona na tej samej zasadzie. Laser taki z jednej strony jest ograniczony podłożem, zaś z pozostałych stron powietrzem (rys. 2). Wielu naukowcom wydawało się, że rezonatory stworzone z warstw metalicznych są zbyt stratne, aby tworzyć zwierciadła laserów.
Niemniej z czasem grupa badaczy holenderskich odkryła, że oświetlanie wiązką promieniowania granicy pomiędzy metalem a materiałem nieprzewodzącym bądź dielektrykiem powoduje przemieszczanie się elektronów po ich powierzchni oraz wywoływanie oscylacji o tej samej częstotliwości, co częstotliwość wiązki padającej, ale o krótszej długości fali.
Rys. 5. Nanocząstka lasera generująca plazmony powierzchniowe, które stymulują powstawanie i emisję promieniowania elektromagnetycznego (dół). Rozkład pola elektromagnetycznego w nanocząstce (dół)
To odkrycie zapoczątkowało badania nad sprzęganiem, łączeniem ośrodków aktywnych z materiałami dielektrycznymi i metalicznymi, które efektywnie mogą zmniejszać długość generowanej przez urządzenie fali, a tym samym umożliwiać konstrukcje laserów o bardzo małych, nanometrowych rozmiarach. Wprawdzie wykonanie takiego urządzenia zajęło sporo lat, ale naukowcom z uniwersytetu w Eindhoven udało się stworzyć nanometryczną strukturę półprzewodnikową otoczoną cienką warstwą metalu, która wygenerowała promieniowanie.
Zaprojektowane urządzenie składało się z cienkiego 90nm plastra arsenku indowo-galowego otoczonego warstwą 20nm dielektryka z azotku krzemu oraz srebrnej powłoki (rys. 3). Do stworzenia zwierciadeł zastosowano pokrycie srebrem, które charakteryzuje się stosunkowo niską wartością ε2 w temperaturze pokojowej w porównaniu do wcześniej testowanego złota, co dało możliwość polepszenia wartości dobroci rezonatora ponad trzykrotnie.
Zaproponowana struktura była pompowana elektrycznie i jest to pionierskie rozwiązanie tego typu. Inna grupa badaczy, tym razem z uniwersytetu w San Diego, wykonała nanostrukturę, w której materiałem aktywnym, wzmacniającym był cylinder wytworzony z fosforku indowo-galowo-arsenkowego.
Struktura została pokryta cienką warstwą dielektryka, z nieosłoniętym dnem, co umożliwiało wprowadzanie oraz wyprowadzanie promieniowania (rys. 4). Urządzenie pompowano optycznie wiązką promieniowania o długości fali 1,064μm, a wygenerowane w temperaturze pokojowej światło z zakresu podczerwieni miało długość fali 1,43μm.
Najmniejszy z najmniejszych
Rys. 6. Plazmony propagują się po powierzchni nanodrutu CdS, stymulują powstanie nowych plazmonów i ostatecznie generację promieniowania
Wymiary laserów zmniejszano praktycznie od początku ich wynalezienia 50 lat temu, ale 44-nanometrowy "spaser" (z ang. surface plasmon resonance nanolasers) jest do tej pory rekordowo mały i rekord ten będzie trudny do pobicia. Urządzenie to powstało w 2009 roku w wyniku współpracy kilku ośrodków naukowych z USA. Zasada jego działania jest zbliżona do zasady działania tradycyjnych źródeł promieniowania.
W konwencjonalnym laserze wiązka światła krąży pomiędzy dwoma zwierciadłami, stymuluje ośrodek aktywny do generacji nowych fotonów o tych samych parametrach (długości fali, tej samej fazie i tym samym kierunku propagacji), czyli powstania wiązki koherentnej. Jak działa zatem taki spaser? Naukowcy oświetlili konwencjonalną niebiesko-zieloną wiązką laserową strukturę, będącą zawiesiną nanocząstek. Każda z nanocząstek miała jądro wykonane ze złota, otoczone cienką warstwą krzemianu sodu.
Zewnętrzna warstwa powłoki nanocząstki wykonana była z molekuł barwnikowych (rys. 5). Kiedy złoty rdzeń molekuły zostaje wzbudzony przez fotony, powierzchnia molekuły zaczyna drgać zgodnie z oscylacjami elektronów, następuje powstawanie tzw. plazmonów powierzchniowych. Oddziałują one na molekuły barwnikowe, a te uwalniają kolejne plazmony o tej samej energii, powodując emisję promieniowania w zakresie 530nm. Zupełnie odmienną konstrukcję lasera plazmonicznego, wykonanego z nanodrutów siarczku kadmu (CdS), wykonali fizycy z uniwersytetu w Berkeley.
Wnęka rezonansowa w laserach półprzewodnikowych
Rys. 7. Podstawowe elementy lasera: obszar wzmocnienia oraz wnęka optyczna: γ - obszar aktywny, L - długość optycznej wnęki rezonansowej, R1 i R2 - odbicia od zwierciadeł wnęki umożliwiające powstanie dodatniego sprzężenia zwrotnego Postępująca miniaturyzacja struktur laserowych skupia się w znacznej mierze na źródłach półprzewodnikowych, ze względu na potencjalną możliwość ich integracji z elementami elektronicznymi. Obecnie stosuje się różne wnęki rezonansowe, umożliwiające uzyskanie generacji promieniowania. Konwencjonalne lasery krawędziowe (rys. 8a) wykorzystują wnękę laserową typu Fabry-Pérot, gdzie zwierciadła tworzą krawędzie struktury. Promieniowanie wyprowadzane jest z rezonatora poprzez jedną z krawędzi lasera, która wykazuje własności częściowo odbijające i częściowo transmisyjne. Typowe wymiary takich struktur to kilka-kilkadziesiąt mikrometrów szerokości i kilkaset mikrometrów długości. Lasery VCSEL (Vertical Cavity Surface-Emitting Laser) emitujące promieniowanie powierzchniowo charakteryzują się wymiarami już zbliżonymi do długości generowanej fali (rys. 8b). 
Rys. 8. Cztery główne typy wnęk rezonansowych stosowanych w laserach półprzewodnikowych Inny typ wnęki prezentuje rys. 8c, gdzie stosuje się tzw. mikrodyski, w obrębie których promieniowanie krąży na zasadzie całkowitego wewnętrznego odbicia od powierzchni granicznych ośrodka. Jednym z najmniejszych laserów są źródła tworzone z nanodrutów, gdzie krystaliczne powierzchnie krańców nanodrutów tworzą wnękę optyczną, zaś promieniowanie prowadzone jest w obrębie nanostruktury (rys. 8d). |
Rys. 9. Schemat przekroju poprzecznego lasera. Laser wykonano na podłożu półprzewodnikowym z arsenku galu (GaAs)
Zastosowali oni tzw. hybrydy plazmoniczne oraz ograniczyli przestrzennie generowaną wiązkę świetlną, tak aby mogła ona być przetrzymywana przez długi czas w bardzo małym obszarze. Zaproponowana struktura składała się z nanodrutu umieszczonego na srebrnym podłożu. Nanodrut odseparowano od podłoża cienką warstwą izolującą z fluorku magnezu o grubości 5nm (rys. 6). W tym przypadku 10μm nanodrut z CdS pompowany jest drogą optyczną.
Następuje absorpcja fotonów przez warstwę półprzewodnikową, a następnie generacja par elektron-dziura. Część par elektron-dziura rekombinuje promieniście i obserwuje się emisję fotonów o większej długości fali niż długość fali pompującej. Część wyemitowanych fotonów przemieszcza się wzdłuż nanodrutu, odbijając się od jego końców, zupełnie jak w tradycyjnym laserze. Jednak większość z powstałych fotonów reaguje z powierzchnią metal-dielektryk i generuje oscylacje elektronu znane jako plazmony.
Typowo takie plazmony będą przemieszczały się na bardzo krótkich dystansach w obszarze metalu, zanim zostaną rozproszone. Poprzez umieszczenie warstwy dielektrycznej z fluorku magnezu pomiędzy obszarami półprzewodzącymi nanodrutu CdS oraz metalicznej warstwy srebra, można kierować plazmony do odpowiedniego ośrodka. Ponieważ dielektryki nie absorbują plazmonów, mogą one swobodnie poruszać się w ich obrębie.
Rys. 10. Schemat obwodu LC lasera.
J - prąd zmienny w rezonatorze,
B - indukcja pola magnetycznego,
E - pole elektryczne.
Obszar aktywny (Active gain medium) jest zasilany napięciem źródła VDC
Pole elektromagnetyczne wytwarzane przez plazmony przenika do ośrodka nanodrutu i stymuluje emisję większej liczby fotonów o tej samej częstotliwości, tworząc tym samym charakterystyczny efekt lawinowy obserwowany w źródłach laserowych. Półprzewodnikowe nanodruty pełnią tu funkcję falowodów i transmitują światło. Jeden z końców nanodrutu charakteryzuje się większą przepuszczalnością (tworzy zwierciadło o większej transmisji), poprzez co plazmony wydobywające się ze struktury tworzą wiązkę promieniowania.
Plazmony, które są formowane na srebrnym podłożu, sprzęgają się z modami falowodów i generują promieniowanie w obrębie warstwy izolacyjnej. Pomimo, że warstwa izolacyjna ma wymiar tylko 5nm, czyli wielkość pojedynczej molekuły proteinowej, emitowana przez spaser długość fali to 489nm odpowiadająca barwie zielonkawoniebieskiej.
Podsumowanie
Nanostruktury emitujące promieniowanie w zakresie od nadfioletu do podczerwieni, które dodatkowo można będzie integrować z urządzeniami elektronicznymi, to jedno z najbardziej interesujących zagadnień badanych przez naukowców i jedno z najbardziej pożądanych rozwiązań z punktu widzenia najnowszych technologii i przemysłu komputerowego.
Naukowcy prześcigają się w tworzeniu coraz nowszych urządzeń w skali nano. Jednak większość z nich, na razie, nie nadaje się do wykorzystania, po części ze względu na wymagane warunki pracy (niskie temperatury) czy też niestabilność strukturalna proponowanych urządzeń, a co się z tym wiąże niezdolność do współpracy z urządzeniami elektrycznymi.
Katarzyna Ławniczuk
