Автор AZoNano 17 сентября 2020 года

Исследователи из Московского физико-технического института и Королевского колледжа Лондона устранили препятствие, мешавшее созданию нанолазеров с электрическим приводом для интегральных схем.

Подход, описанный в недавней статье в Nanophotonics позволяет проектировать когерентный источник света в масштабе не только в сотни раз меньше, чем толщина человеческого волоса, но даже меньше, чем длина волны излучаемого света. лазером. Это закладывает основу для сверхбыстрой оптической передачи данных в многоядерных микропроцессорах, которые, как ожидается, появятся в ближайшем будущем.

Световые сигналы произвели революцию в информационных технологиях в 1980-х годах, когда оптические волокна начали заменять медные провода, сделав передачу данных на порядки быстрее. Поскольку оптическая связь основана на свете – электромагнитных волнах с частотой в несколько сотен терагерц – она ​​позволяет передавать терабайты данных каждую секунду по одному волокну, что значительно превосходит электрические межсоединения.

Волоконная оптика лежит в основе современного Интернета, но свет может сделать для нас гораздо больше. Его можно использовать даже в микропроцессорах суперкомпьютеров, рабочих станций, смартфонов и других устройств. Это требует использования оптических линий связи для соединения чисто электронных компонентов, таких как ядра процессора. В результате огромное количество информации могло передаваться через чип почти мгновенно.

Избавление от ограничения на передачу данных позволит напрямую повысить производительность микропроцессора за счет объединения большего количества процессорных ядер, вплоть до создания 1000-ядерного процессора, который будет практически в 100 раз быстрее, чем его 10-ядерный аналог, которую преследуют гиганты полупроводниковой индустрии IBM, HP, Intel, Oracle и другие. Это, в свою очередь, позволит создать настоящий суперкомпьютер на одном кристалле.

Задача состоит в том, чтобы соединить оптику и электронику на наноуровне. Для этого оптические компоненты не могут быть больше сотен нанометров, что примерно в 100 раз меньше ширины человеческого волоса. Это ограничение размера также применяется к лазерам на кристалле, которые необходимы для преобразования информации из электрических сигналов в оптические импульсы, которые несут биты данных.

Однако свет – это разновидность электромагнитного излучения с длиной волны в сотни нанометров. А принцип квантовой неопределенности гласит, что существует определенный минимальный объем, в котором могут быть локализованы световые частицы или фотоны. Он не может быть меньше куба длины волны. Грубо говоря, если сделать лазер слишком маленьким, фотоны в него не поместятся. Тем не менее, есть способы обойти это ограничение на размер оптических устройств, известное как дифракционный предел. Решение состоит в том, чтобы заменить фотоны поверхностными плазмон-поляритонами, или SPP.

SPP – это коллективные колебания электронов, которые удерживаются на поверхности металла и взаимодействуют с окружающим электромагнитным полем. Только несколько металлов, известных как плазмонные металлы, подходят для работы с SPP: золото, серебро, медь и алюминий. Как и фотоны, SPP представляют собой электромагнитные волны, но на той же частоте они гораздо лучше локализованы, то есть занимают меньше места. Использование SPP вместо фотонов позволяет «сжать» свет и таким образом преодолеть дифракционный предел.

Создание по-настоящему наноразмерных плазмонных лазеров уже возможно с использованием современных технологий. Однако эти нанолазеры имеют оптическую накачку, то есть их необходимо освещать внешними громоздкими и мощными лазерами. Это может быть удобно для научных экспериментов, но не за пределами лаборатории. Электронный чип, предназначенный для массового производства и реальных приложений, должен включать сотни нанолазеров и работать на обычной печатной плате. Практический лазер должен иметь электрическую накачку или, другими словами, работать от обычной батареи или источника постоянного тока. Пока такие лазеры доступны только как устройства, работающие при криогенных температурах, что не подходит для большинства практических применений, поскольку поддержание охлаждения жидким азотом обычно невозможно.

Физики из Московского физико-технического института (МФТИ) и Королевского колледжа Лондона предложили альтернативу традиционному способу работы электрической накачки. Обычно схема электрической накачки нанолазеров требует омического контакта из титана, хрома или аналогичного металла. Кроме того, этот контакт должен быть частью резонатора – объема, в котором генерируется лазерное излучение. Проблема в том, что титан и хром сильно поглощают свет, что вредит работе резонатора. Такие лазеры страдают от высокого тока накачки и подвержены перегреву. Вот почему возникает необходимость криогенного охлаждения, а также все связанные с этим неудобства.

Предлагаемая новая схема электрической накачки основана на двойной гетероструктуре с туннельным контактом Шоттки. Это делает омический контакт с его сильно поглощающим металлом избыточным. Накачка теперь происходит через границу раздела между плазмонным металлом и полупроводником, по которой распространяются ППП. «Наш новый подход к накачке позволяет довести лазер с электрическим приводом до наномасштаба, сохранив при этом его способность работать при комнатной температуре. В то же время, в отличие от других нанолазеров с электрической накачкой, излучение эффективно направляется в фотонный или плазмонный волновод. , делая нанолазер пригодным для использования в интегральных схемах », – прокомментировал д-р Дмитрий Федянин из Центра фотоники и 2D-материалов МФТИ.

Плазмонный нанолазер, предложенный исследователями, меньше – в каждом из трех измерений – чем длина волны излучаемого им света. Кроме того, объем, занимаемый ППП в нанолазере, в 30 раз меньше куба длины волны света. По словам исследователей, их плазмонный нанолазер, работающий при комнатной температуре, можно было бы легко сделать еще меньше, что сделало бы его характеристики еще более впечатляющими, но это было бы связано с невозможностью эффективно выводить излучение в шинный волновод. Таким образом, хотя дальнейшая миниатюризация сделала бы устройство неприменимым к интегральным схемам на кристалле, оно все равно будет удобным для химических и биологических датчиков, а также для оптической спектроскопии или оптогенетики ближнего поля.

Несмотря на его наноразмерные размеры, прогнозируемая выходная мощность нанолазера составляет более 100 микроватт, что сопоставимо с гораздо более крупными фотонными лазерами. Такая высокая выходная мощность позволяет использовать каждый нанолазер для передачи сотен гигабит в секунду, устраняя одно из самых серьезных препятствий на пути к более производительным микрочипам. И это включает в себя всевозможные высокопроизводительные вычислительные устройства: суперкомпьютерные процессоры, графические процессоры и, возможно, даже некоторые гаджеты, которые будут изобретены в будущем.

Работа поддержана грантом Российского фонда фундаментальных исследований.

Ссылка на оригинальное исследование: Д.Ю. Федянин, А. Красавин, А. Арсенин, А. Заяц, Лазерная генерация на наноуровне: когерентное излучение поверхностных плазмонов нанолазером с электрическим приводом, Нанофотоника 9, 3965-3975 (2020), DOI: 10.1515 / nanoph-2020-0157.

Источник: https://mipt.ru/english/