Научная
деятельность
Университет ИТМО

Международной команде ученых удалось создать компактный нанолазер с уникальными свойствами

Команда ученых Нового физтеха Университета ИТМО, Центра нелинейной физики Австралийского национального университета и Университета Корё разработала компактный нанолазер на основе фотонно-кристаллического волновода с высочайшими показателями эффективности. Он представляет собой периодическую фотонную структуру и среди такого рода структур отличается своими весьма маленькими размерами. Статья о разработке опубликована в Nature Communications.

Корреспондент ITMO.NEWS поговорил с одним из основных авторов разработки, сотрудником физико-технического мегафакультета ИТМО Кириллом Кошелевым о том, как именно устроен прибор и в чем важность исследования для фундаментальной науки.

Компактные лазеры

В Университете ИТМО уже несколько лет развивается направление нанолазеров ― им занимается научная группа под руководством Юрия Кившаря, научного руководителя Нового физтеха и профессора Австралийского национального университета. В прошлом году результаты исследований были опубликованы в журнале ACS Nano и ряде других.

Публикация в Nature Communications по сути стала ответвлением от основного пути исследований. На основе наработок по изучению особых видов волн ― связанных состояний континуума ― и нанорезонаторов ученым удалось изготовить работающий прототип сверхэффективного нанолазера.

Лазер состоит из нескольких основных элементов: так называемой «активной среды» (в которой, собственно, и происходит генерация излучения) и резонатора ― пространства, в котором созданное излучение может удерживаться длительное время.

Работа посвящена как раз улучшению свойств резонаторов, так что фотоны могут существовать в них продолжительное время. Идея в том, что при генерации лазерного излучения появляются кванты света ― фотоны. Они каскадным образом индуцируют появление других фотонов. Соответственно, чем дольше изначальные кванты света существуют, чем дольше они держатся внутри резонатора, тем больше других фотонов они смогут создать за собой.

Созданный учеными из ИТМО резонатор позволяет вызвать лазерное излучение с совсем небольшим количеством фотонов.

«Есть такая характеристика ― порог лазерной генерации. Это то значение падающей мощности, при котором начинается лазерное излучение. И чем меньше этот порог, тем лучше. В нашем случае требуется очень мало мощности, чтобы запустить лазер. Мы сравнивали наши значения с предыдущими исследованиями и выяснили, что у нас порог меньше в несколько порядков раз», ― комментирует Кирилл Кошелев.

<p class="show_photo_comment">Кирилл Кошелев и Юрий Кившарь. Источник: ITMO.NEWS</p>
<p class="show_photo_comment">Кирилл Кошелев и Юрий Кившарь. Источник: ITMO.NEWS</p>

Фотонно-кристаллический волновод

Для генерации излучения в нанолазерах используется особый тип световых волн ― связанные состояния континуума. У них гораздо более сложное пространственно-временное колебание, нежели у простых, плоских световых волн, которые излучают источники света и которые мы видим невооруженным глазом.

Связанные состояния континуума могут быть реализованы в фотонных структурах с особой периодической структурой. В частности, для их появления необходима модуляция фотонной среды, например, периодический массив дырок в структуре определенного размера и с заданной периодичностью.

«Мы берем материал InGaAsP― фосфид арсенида галлия индия ― и определенным образом в определенном порядке протравливаем в нем дырки. За счет специфического расположения этих дырок мы добиваемся особых свойств световых волн внутри этой диэлектрической структуры. Световая волна может там удерживаться достаточно длительное время, что позволяет добиться эффективного лазерного излучения. При этом, даже если структура получилась немного отличающейся от расчетов, получились другие диаметры дырок или расстояние между ними, это состояние все равно будет там существовать, но на немного другой частоте», ― объясняет Кирилл Кошелев.

<p class="show_photo_comment">Слияние связанных состояний континуума в структуре бесконечных размеров. Источник: статья в журнале Nature Communications / <a href="http://nature.com" rel="noreferrer nofollow" target="_blank">nature.com</a></p>
<p class="show_photo_comment">Слияние связанных состояний континуума в структуре бесконечных размеров. Источник: статья в журнале Nature Communications / <a href="http://nature.com" rel="noreferrer nofollow" target="_blank">nature.com</a></p>

Изменение периодичности

Следующий шаг ― не просто использовать свойства связанных состояний континуума, но и усиливать их, то есть накладывать эти особые волны света друг на друга, чтобы получить «суперсостояние». Для этого световые волны должны быть синхронизированы: у них должны быть одинаковые групповая и фазовая скорость, одинаковый угол падения, одинаковые характеристики и поведение.

Достичь этого удается еще одной геометрической модификацией диэлектрической структуры ― изменением ее периодичности.

«Мы изменяем периодичность этой структуры ― грубо говоря, повторение между дырками. То есть сами дырки остаются неизменными, но мы создаем набор структур, в каждом образце которого расстояние между ними плавно увеличивается на один нанометр. Так мы заставляем эти состояния света синхронизироваться ― они становятся одинаковыми. Поэтому они могут складываться между собой, усиливая друг друга ― получается суперсостояние, которое может еще дольше удерживать свет внутри», ― рассказывает Кирилл Кошелев.

<p class="show_photo_comment">Слияние связанных состояний континуума в структуре конечных размеров. Источник: статья в журнале Nature Communications / <a href="http://nature.com" rel="noreferrer nofollow" target="_blank">nature.com</a></p>
<p class="show_photo_comment">Слияние связанных состояний континуума в структуре конечных размеров. Источник: статья в журнале Nature Communications / <a href="http://nature.com" rel="noreferrer nofollow" target="_blank">nature.com</a></p>

Сверхкомпактные устройства

Сейчас область сверхмаленьких лазеров развивается очень активно ― с этой технологией связывают будущее новое поколение оптических чипов, компонентов для оптических вычислительных систем, сенсоров и других приборов, использующих свет для передачи и обработки информации. Поэтому то, что удалось сделать ученым из ИТМО совместно с коллегами из Университета Корё ― большой шаг в развитии будущих оптических технологий, а также важная фундаментальная задача, подчеркивают авторы исследования.

С точки зрения научной составляющей работу по этой тематике ученые считают законченной. Однако сам прототип устройства будет дорабатываться.

«На самом деле не все характеристики этого лазера оптимизированы. Например, часть энергии, которой вы пытаетесь запустить лазер, уходит в никуда. Есть возможность улучшать его характеристики по части сохранения полезной энергии. Но с фундаментальной точки зрения эта тема закрыта, осталось решить только инженерные задачи», заключает Кирилл Кошелев.

Статья: Min-Soo Hwang, Hoo-Cheol Lee, Kyoung-Ho Kim, Kwang-Yong Jeong, Soon-Hong Kwon, Kirill Koshelev, Yuri Kivshar & Hong-Gyu Park. «Ultralow-threshold laser using super-bound states in the continuum», Nature Communications volume 12, Article number: 4135 (2021).