Лазерный мир

Современная индустрия фотоники ведет непрерывную гонку за компактностью устройств, начиная от систем вычисления и заканчивая сенсорами и лидарами. Для этого исследователи всего мира постоянно работают над тем, чтобы уменьшить размер лазеров, транзисторов и других комплектующих. Группа ученых во главе с сотрудниками Университета ИТМО предложила метод, позволяющий быстро и дешево создавать оптические чипы прямо в обычной чашке Петри. Работа опубликована в журнале ACS Nano.

Люди все чаще используют устройства на основе микроскопических лазеров и работающих на их основе оптических чипов. Они нужны для создания лидаров, разработки новых биосенсоров. А в перспективе они могут лечь в основу новых оптических компьютеров, которые будут передавать и обрабатывать информацию не с помощью движения электронов, а с помощью частиц света ― фотонов.

Сейчас зачастую оптические чипы работают в инфракрасном диапазоне, то есть лазер в них излучает свет в ИК-спектре, не видимом человеческому глазу.

«Однако для дальнейшей компактизации необходим переход в видимый диапазон, поскольку размер чипа зависит от длины волны, на которой идет излучение», ― рассказывает главный научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО Сергей Макаров.

Слева направо: Павел Трофимов, Анатолий Пушкарев, Иван Синев и Сергей Макаров. Фото предоставлены авторами статьи

Проблема кремния

Оптический чип состоит из таких основных компонентов, как лазер и волноводы. Если сделать источник, который бы генерировал лазерное излучение в зеленом или красном спектре, сравнительно просто, то с волноводом проблема сложнее.

«Микролазер является источником излучения, который в дальнейшем нужно выводить куда-то, для этого и существуют волноводы, ― поясняет старший научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО Иван Синев. ― Однако стандартные кремниевые волноводы, которые используются в инфракрасной оптике, не работают в видимом диапазоне. Они передают сигнал не далее, чем на несколько микрометров. Для оптического чипа нам нужна передача на десятки микрометров, при этом локализация света в этих волноводах должна быть высокая, чтобы волновод имел максимально тонкий поперечник, а свет при этом бежал бы по нему достаточно далеко».

Ранее ученые предпринимали попытки заменить кремниевые волноводы на серебряные, однако и в таких системах расстояние передачи сигнала также не было достаточным.

Оптический чип в чашке Петри

В итоге группа ученых, в которую вошли специалисты Университета ИТМО, Академического Университета им.Ж.И. Алферова, а также Университета Лотарингии, выбрали в качестве материала для волноводов фосфид галлия (GaP). Этот материал обладает очень маленькими потерями в большей части видимой части спектра и высоким показателем преломления. При этом сам микролазер сделан из галогенидного перовскита. Однако самое главное, что источник света сам растет на волноводе в обычной чашке Петри.

«Прелесть подхода в том, что мы сразу создаем перовскитные микролазеры с внедренными в них нановолноводами, ― отмечает Сергей Макаров. ― Это делается путем сокристаллизации GaP нановолновода и перовскитного микролазера в растворе перовскитных чернил. То есть мы уходим от дорогих методов нанолитографии к методам растворной химии, что значительно проще и дешевле. После этого лазер с волноводом высаживается на подложке, формируя основу для оптического чипа».

Получившиеся системы способны передавать световой сигнал на расстояние, которое значительно больше, нежели у аналогов с серебряными или кремниевыми нановолноводами. При этом размер элементов чипа примерно в три раза меньше, нежели у аналогов, работающих в инфракрасном спектре.

Иллюстрация из статьи

Настройка цвета

Еще одной особенностью чипа является возможность легко настраивать световой диапазон лазера от зеленого до красного. Причем цвет излучения можно поменять после создания чипа, и этот процесс обратим.

«Изменение цвета излучения оптического чипа происходит химическим методом, ― поясняет старший научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО Анатолий Пушкарев. ― Мы помещаем подложку с оптическим чипом в пары иодоводородной или бромоводородной кислоты всего на пару минут. Этого времени вполне достаточно, чтобы произошел анионный обмен между перовскитным микролазером и молекулами кислоты, который меняет химический состав перовскита, а значит и длину волны его излучения».

Это может быть полезно для устройств, где необходима передача сигнала на разных длинах волн. Так, для подобного устройства можно создать несколько разных лазеров, подключить их к одному волноводу, и тогда по нему будет идти сразу несколько световых сигналов разного цвета.

Иллюстрация из статьи

Антенна для подключения

Также ученые установили на созданный ими чип оптическую наноантенну из перовскита, которая улавливает сигнал, идущий по волноводу, позволяя связать источник и приемник-преобразователь в одну систему.

«Мы добавили наноантенну на другой конец нашего волновода, ― говорит аспирант физико-технического факультета Университета ИТМО Павел Трофимов. ― То есть у нас есть генератор света, волновод и наноантенна, которая светится под воздействием излучения микролазера. К ней мы приставили другой волновод. В результате излучение от одного лазера передавалось на два волновода. При этом наноантенна не только эффективно связывала все это в единую систему, но и преобразовывала часть зеленого света в красный спектр. Таким образом, была одна длина волны ― стало две, был один канал ― стало два».

Работа ученых была опубликована в одном из ведущих научных журналов ACS Nano. Статья: Pavel Trofimov, Anatoly P. Pushkarev, Ivan S. Sinev, Vladimir V. Fedorov, Stéphanie Bruyère, Alexey Bolshakov, Ivan S. Mukhin, and Sergey V. Makarov. Perovskite — Gallium Phosphide Platform for Reconfigurable Visible-Light Nanophotonic Chip, ACS Nano, 2020/10.1021/acsnano.0c01104

Константин Крылов

Источник: https://news.itmo.ru/ru/science/photonics/news/9515/