Лазер для фотонной революции

Стратегическая цель исследовательских групп, работающих над несколькими разновидностями нанолазеров, — создание фотонных интегральных схем и — в перспективе — фотонных компьютеров. Переход от электрического сигнала к оптическому позволит кардинально увеличить скорость передачи данных и снизить энергопотребление.

«Для их работы необходимы базовые элементы, в первую очередь это сверхкомпактные источники когерентного света», — пояснил «Стимулу» участник российской исследовательской группы Талгат Шугабаев, младший научный сотрудник лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций СПбГУ. Он также ведет исследования в Академическом университете им. Ж. И. Алферова. Вместе с коллегами Шугабаев занимается разработкой плазмонных нанолазеров.

Ученые стремятся сделать компоненты фотонных схем столь же миниатюрными, как и современные электронные элементы. Однако напрямую достичь этого невозможно: обычные оптические устройства не могут быть нанометровыми из-за дифракционного предела. «Свет — это волна, и классическими методами ее нельзя локализовать в нанометровом масштабе, — говорит Талгат Шугабаев. — Наша исследовательская группа, как и ведущие зарубежные коллеги, решает эту проблему с помощью плазмонных нанолазеров. Мы объединяем главное преимущество фотоники — высокую скорость передачи данных — и компактность традиционной микроэлектроники».

Лазер диаметром 60 нанометров

Талгат Шугабаев рассказал, что научные группы СПбГУ и Академического университета им. Ж. И. Алферова синтезируют различные полупроводниковые наноструктуры, используя метод молекулярно-пучковой эпитаксии. «Два года назад у нас возникла идея найти оптическое применение нашим структурам, и мы занялись тематикой нанолазеров», — пояснил он. Ученые поставили перед собой цель создать миниатюрный гибридный источник когерентного излучения на основе нитридных наноструктур.

«Плазмонные нанолазеры устроены сложно и состоят из разнородных полупроводниковых и металл-диэлектрических частей, поэтому для их создания мы объединили усилия с несколькими научными группами», — продолжает Шугабаев. Научные группы СПбГУ и Академического университета им. Ж. И. Алферова, инициировавшие исследование, работают непосредственно над задачей выращивания наноструктур. Коллеги из Высшей школы экономики — Санкт-Петербург проводят оптические измерения. Научная группа из СПбГЭТУ ЛЭТИ исследует топологию и морфологию поверхностей возможных подложек, научная группа из МФТИ занимается теоретическим описанием получившихся систем. Общей лабораторной базы у этого конгломерата нет. Но работа идет в непрерывном диалоге. «Часто с первого раза что-то не получается, мы созваниваемся, обсуждаем, спорим, что как и почему работает или не работает», — говорит Талгат Шугабаев.

«Диаметр наших нанолазеров составляет всего около 60 нанометров, это в разы меньше длины волны самого излучаемого света (примерно 450 нанометров). Чтобы управлять светом на таких экстремальных наномасштабах, мы использовали специфический вид электромагнитных волн — поверхностные плазмон-поляритоны. Они формируются на границе одиночного нитевидного нанокристалла и специальной металл-диэлектрической подложки, что позволяет эффективно “сжимать” и удерживать свет в том объеме, где обычные классическое полупроводниковые материалы уже просто не способны сработать», — пояснил Талгат Шугабаев.

Схема плазмонного нанолазера на основе нитевидного нанокристалла InGaN

Из личного архива Талгата Шугабаева

Почему нанолазер — синий

Талгат Шугабаев пояснил, что название «синий» связано с цветом и длиной волны излучения, которое генерирует устройство: «В нашей работе длина волны лазерного излучения соответствует синему диапазону видимого спектра. Этот цвет определяется выбором материалов: в качестве «активной среды» источника света мы использовали полупроводниковые квантовые ямы из нитрида индия-галлия (InGaN), встроенные в нитевидные нанокристаллы нитрида галлия (GaN)».

Между тем главная особенность разработки не в том, что нанолазер излучает в синем диапазоне, а в миниатюрных размерах устройства. «Создать лазер синего диапазона не было главной задачей, мы могли бы сделать его и в другом диапазоне — и в зеленом, и в красном. Выбор диапазона объясняется тем, что в такой малой размерности устройство, работающее в синем диапазоне, сделать легче. А дальше можем попробовать и другие диапазоны. Выбранный нами материал позволяет, меняя химический состав, в нашем случае варьируя концентрацию индия-галлия, перестраивать диапазон длин волн, на которых будет излучать наше устройство», — рассказал Талгат Шугабаев.

Место в мировой гонке

По словам участников российской научной группы, эта тематика популярна в мире. Пионером в этой области считается Руперт Оултон, профессор физического факультета Имперского колледжа Лондона. В конце 2000-х годов он проходил постдок-стажировку в США, в Калифорнийском университете в Беркли, в знаменитой группе Сян Чжана. В 2009 году они опубликовали в Nature фундаментальную работу, посвященную первому плазмонному нанолазеру. Другой крупный специалист — Гво Шанцзи, профессор физического факультета Национального университета Цинхуа в Тайване. Есть исследовательские группы в Европе.

По мнению Талгата Шугабаева, сегодня в этой области лидируют европейские и тайваньские специалисты. «Если рассматривать тематику создания нанолазеров, сказать, что мы лидеры, будет немного громко, но планку и уровень мы держим. Если говорить о системе материалов, с которыми мы работаем, то тут у нас позиции повыше, можно их назвать лидирующими, но я не сказал бы, что мы одинокие лидеры и опережаем всех с большим отрывом. В нашей тематике присутствует здоровая конкуренция. Мы в голове этого поезда, но не самые первые», — полагает Талгат Шугабаев.

Когда появится серийный прибор

Разработчики пока не готовы назвать точные и даже приблизительные сроки перехода на фотонные интегральные схемы. «Фотонная революция произойдет не сегодня, не завтра и даже не послезавтра. В создаваемой нами технологии есть много нерешенных задач, в том числе лежащих в области фундаментальной физики. И мы, и коллеги за рубежом продолжаем изучение базовых физических принципов, различных материалов, различной геометрии нанолазеров, различного дизайна наших систем. Мы еще не на том этапе, когда пора разрабатывать технологии промышленного производства», — пояснил Талгат Шугабаев. Он отметил, что для такого производства потребуются принципиально новые линии, ни одно из имеющихся сейчас в наличии производств адаптировать под новую задачу не получится.

Задачу масштабирования разработок, по его мнению, можно начать решать заранее. Один из путей — поиск потенциальных промышленных партнеров на конференциях, где встречаются ученые и предприниматели. Второй вариант — включить в состав научной группы специалиста — коммуникатора с промышленностью, так как речь идет о сложнейших научных разработках. Он мог бы выполнять роль моста между учеными и предпринимателями, хорошо понимая и научную составляющую, и потребности и возможности промышленности. Тем более что помимо главной задачи — миниатюризации лазеров для достижения фотонными интегральными схемами уровня компактности электроники и достижения при этом быстродействия на уровне скорости света — у нанолазеров есть и другие востребованные сферы применения: сенсорика, биохимическое детектирование, сверхразрешающая микроскопия.