Sähköisiä nanolasereista mikropiireille

Sähköisesti pumpattava pinta-plasmon-polariton-nanolaser.

Suurempi kuva

Moscow Institute of Physics and Technologyn (MIPT) ja King's College Londonin -tutkijat ovat purkaneet esteen, joka on estänyt sähkökäyttöisten nanolaserien luomisen integroiduille piireille.

Nanophotonics-lehden tuoreessa artikkelissa raportoitu lähestymistapa mahdollistaa koherentin valonlähteen suunnittelun mittakaavassa joka on pienempi kuin laserin lähettämän valon aallonpituus. Tämä luo perustan ultranopealle optiselle datansiirrolle todella moniytimisille mikroprosessoreille, joiden odotetaan syntyvän lähitulevaisuudessa.

Niissä haasteena on yhdistää optiikka ja elektroniikka nanomittakaavassa. Valon aallonpituus on satoja nanometrejä. Ja kvanttiepävarmuusperiaate sanoo, että on olemassa tietty vähimmäistilavuus, johon valohiukkaset tai fotonit voidaan sijoittaa. Jos laser tehdään liian pieneksi, fotonit eivät sovi siihen.

On kuitenkin olemassa tapoja kiertää tämä optisten laitteiden koon rajoitus, joka tunnetaan diffraktiorajana. Ratkaisu on korvata fotonit pinta-plasmon-polaritoneilla eli SPP:llä.

Aivan kuten fotonit, SPP:t ovat sähkömagneettisia aaltoja, mutta samalla taajuudella ne ovat paljon paremmin paikallisia - eli ne vievät vähemmän tilaa. SPP:n käyttäminen fotonien sijasta mahdollistaa valon "pakkaamisen" ja siten diffraktiorajan ylittämisen.

Nanomittakaavan plasmonisten laserien suunnittelu on jo mahdollista nykyisillä tekniikoilla. Mutta niitä pumpataan optisesti ulkoisilla lasereilla tai niitä on käytettävä kryogeenisissä lämpötiloissa.

MIPT:n ja Londonin tutkijat ovat ehdottaneet vaihtoehtoista tapaa sähköiselle pumppaukselle. Yleensä nanolaserien sähköinen pumppausjärjestelmä vaatii titaanista, kromista tai vastaavasta metallista valmistetun ohmisen kontaktin. Tämän kontaktin on lisäksi oltava osa resonaattoria - tilaa, jossa lasersäteily syntyy. Ongelmana on, että titaani ja kromi absorboivat vahvasti valoa, mikä haittaa resonaattorin suorituskykyä ja ovat siten herkkiä lämpenemiselle.

Ehdotettu uusi sähköpumppujärjestelmä perustuu kaksoisheterorakenteiseen tunneloivaan Schottky-kontaktiin. Se tekee ohmisen kontaktin vahvasti absorboivan metallin tarpeettomaksi. Pumppaus tapahtuu nyt plasmonisen metallin ja puolijohteen välisen rajapinnan yli, jota pitkin SPP:t etenevät.

"Uusi pumppausmenetelmämme mahdollistaa sähkökäyttöisen laserin tuomisen nanomittakaavaan ja toiminnan huonelämpötilassa. Lisäksi säteily ohjataan tehokkaasti fotoniseen tai plasmoniseen aaltojohteeseen, mikä tekee nanolaserin sopivaksi integroiduille piireille”, kommentoi MIPT:n tohtori Dmitry Fedyanin.

Ehdotettu plasmoninen nanolaser on pienempi - kaikissa kolmessa ulottuvuudessaan - kuin sen lähettämän valon aallonpituus. Lisäksi SPP:den käyttämä tilavuus nanolaserissa on 30 kertaa pienempi kuin kuutioitu valon aallonpituus.

Tutkijoiden mukaan heidän plasmoninen nanolaser voidaan helposti tehdä vielä pienemmäksi, mikä tekee sen ominaisuuksista vieläkin vaikuttavampia, mutta se ei enää mahdollista ajaa säteilyä tehokkaasti aaltojohteeseen. Tällöin sillä ei olisi käyttöä integroiduissa piireissä mutta se olisi silti kätevä kemiallisille ja biologisille antureille ja lähikentän optiselle spektroskopialle tai optogenetiikalle.

Nanolaserin ennustettu lähtöteho on yli 100 mikrowattia. Tämä mahdollistaisi sen käytön satojen gigabittien siirtämiseen sekunnissa sirujen sisäisissä datansiirroissa.

Aiheesta aiemmin:

Tutkijat avaavat tietä plasmonisille siruille

Plasmoniikkaa hyödyntäen (katsausartikkeli)

Tutkimusjulkaisu, Lasing at the nanoscale: Coherent emission of surface plasmons by an electrically driven nanolaser