Создан лазер на основе трёхмерных фотонных кристаллов

Квантовые точки на основе одиночных атомов.

Группа учёных из Института наноквантовой информационной электроники Токийского университета предложила использовать для генерации лазерного излучения трёхмерный фотонный кристалл, в котором заключены квантовые точки. Новая комбинация материалов позволяет создать лазер, для работы которого требуется очень мало энергии.

Квантовые точки – это небольшие скопления атомов, в которых электрон имеет всего несколько допустимых уровней энергии. При переходе электрона с низкого энергетического уровня на высокий квантовая точка поглощает фотон, а при переходе с высокого на низкий – излучает. Если же на квантовую точку, в которой электрон находится на верхнем уровне (в возбуждённом состоянии), подействовать фотоном определённой частоты, то наблюдается излучение двух фотонов, полностью идентичных падающему. Этот эффект усиления падающего света, получивший название вынужденного излучения, используется для генерации света в различных типах лазеров.

Японские учёные предложили усилить мощность излучения подобного лазера, окружив квантовую точку средой, которая отражает фотоны и снова концентрирует их в нужной области. В качестве такой среды может выступать трёхмерный фотонный кристалл. В подобных материалах коэффициент преломления среды периодически меняется в пространстве. Недавно было обнаружено, что при нарушении периодичности в определённой точке фотонного кристалла образуется область, удерживающая свет в критически малом объёме. В некотором приближении эту область, также называемую микрорезонатором, можно представить в виде шара, внутренняя поверхность которого является зеркалом. При попадании в микрорезонатор фотона определённой частоты происходит его «пленение» и многократное отражение от стенок полости.

Уже существовали лазеры, работающие на двумерных фотонных кристаллах. В работе, описанной в последнем номере Nature Photonics, исследователи поместили квантовые точки в микрорезонатор трёхмерного фотонного кристалла, что позволило многократно усилить их способность к генерации лазерного излучения. В фотонных кристаллах этого лазера свет можно считать полностью ограниченным во всех трёх направлениях. Подобная структура позволила существенно снизить мощность, необходимую для включения лазера.

Фотонный кристалл, созданный японскими исследователями в лаборатории им. Аракавы и Ивамото (Aracawa & Iwamoto laboratory), состоял из наложенных друг на друга 25 слоёв арсенида галлия толщиной в 150 нанометров каждый. В центре каждого слоя находился рисунок из одиннадцати параллельных линий арсенида галлия, между которыми было пустое пространство. Слои накладывались друг на друга таким образом, что линии арсенида галлия одного слоя были перпендикулярны линиям второго слоя. Такая структура фотонного кристалла называется «поленница» из-за некоторого сходства сложенных крест-накрест поленьев с укладыванием слоёв арсенида галлия.

Тринадцатый слой, расположенный в середине фотонного кристалла, включал в себя точечный дефект размером около 1 мкм. Этот микрорезонатор, способный к «пленению» фотонов, содержал в себе квантовые точки. Внешний импульс оптического излучения приводил к переходу квантовых точек в возбуждённое состояние и генерации лазерного излучения.

Как отмечает в этом же номере журнала физик Стефан Страуф (Stefan Strauf) из Технологического института Стивенса, предложенная модель лазера обладает некоторыми недостатками.

• Во-первых, накладывание и выравнивание одного слоя занимает около 10 минут – это непозволительная роскошь при промышленном производстве.
• Во-вторых, лазер пока ещё обладает слишком низкой выходной мощностью излучения. Впрочем, эти проблемы наверняка будут решены, потому что нанофотоника – одна из наиболее активно развивающихся сегодня областей науки.

Вероятно, в недалёком будущем использование лазеров на фотонных кристаллах позволит создавать микросхемы, в которых электричество полностью заменится светом. Мы избавимся от нагрева микросхем и добьёмся повышения плотности передаваемой информации.

Первоисточники информации:

1. Aniwat Tandaechanurat, Satomi Ishida, Denis Guimard, Masahiro Nomura, Satoshi Iwamoto & Yasuhiko Arakawa Lasing oscillation in a three-dimensional photonic crystal nanocavity with a complete bandgap– Nature Photonics. – 5. – 91–94 (2011); doi:10.1038/nphoton.2010.286.
2. Stefan Strauf Photonic crystals: Lasing woodpiles. – Nature Photonics. – 5. – 72–74 (2011); doi:10.1038/nphoton.2011.4.

Источник(и):

1. Наука и технологии РФ