Onderzoekers van het Moscow Institute of Physics and Technology en King's College London hebben het obstakel weggenomen dat de creatie van elektrisch aangedreven nanolasers voor geïntegreerde schakelingen had verhinderd. De aanpak, gerapporteerd in een recent artikel in Nanofotonica , maakt een coherent ontwerp van een lichtbron mogelijk op een schaal die niet alleen honderden keren kleiner is dan de dikte van een mensenhaar, maar zelfs kleiner dan de golflengte van het licht dat door de laser wordt uitgestraald. Dit legt de basis voor ultrasnelle optische gegevensoverdracht in de veelkernmicroprocessors die naar verwachting in de nabije toekomst zullen verschijnen.

Lichtsignalen zorgden in de jaren tachtig voor een revolutie in de informatietechnologie. toen optische vezels koperdraden begonnen te vervangen, waardoor gegevensoverdracht ordes van grootte sneller gaat. Omdat optische communicatie afhankelijk is van licht - elektromagnetische golven met een frequentie van enkele honderden terahertz - kan elke seconde terabytes aan gegevens worden overgedragen via een enkele vezel, veel beter presteren dan elektrische verbindingen.

Glasvezel ligt ten grondslag aan het moderne internet, maar licht zou veel meer voor ons kunnen doen. Het kan zelfs in de microprocessors van supercomputers worden toegepast, werkstations, smartphones, en andere apparaten. Dit vereist het gebruik van optische communicatielijnen om de puur elektronische componenten met elkaar te verbinden, zoals processorkernen. Als resultaat, enorme hoeveelheden informatie kunnen vrijwel onmiddellijk over de chip worden overgedragen.

Door de beperking op gegevensoverdracht weg te werken, kunnen de prestaties van de microprocessor direct worden verbeterd door meer processorkernen te stapelen, tot het punt van het maken van een 1, 000-core processor die vrijwel 100 keer sneller zou zijn dan zijn 10-core tegenhanger, die wordt nagestreefd door de giganten van de halfgeleiderindustrie IBM, PK, Intel, Orakel, en anderen. Dit maakt het op zijn beurt mogelijk om op één chip een echte supercomputer te ontwerpen.

De uitdaging is om optica en elektronica op nanoschaal te verbinden. Om dit te behalen, de optische componenten mogen niet groter zijn dan honderden nanometers, wat ongeveer 100 keer kleiner is dan de breedte van een mensenhaar. Deze maatbeperking geldt ook voor on-chip lasers, die nodig zijn voor het omzetten van informatie van elektrische signalen naar optische pulsen die de bits van de gegevens dragen.

Echter, licht is een soort elektromagnetische straling met een golflengte van honderden nanometers. En het kwantumonzekerheidsprincipe zegt dat er een bepaald minimumvolume is dat lichte deeltjes, of fotonen, kan worden gelokaliseerd. Het kan niet kleiner zijn dan de derde macht van de golflengte. In grove termen, als men een laser te klein maakt, de fotonen passen er niet in. Dat gezegd hebbende, er zijn manieren om deze beperking op de grootte van optische apparaten te omzeilen, die bekend staat als de diffractielimiet. De oplossing is om fotonen te vervangen door oppervlakte-plasmon-polaritonen, of SPP's.

SPP's zijn collectieve oscillaties van elektronen die beperkt zijn tot het oppervlak van een metaal en interageren met het omringende elektromagnetische veld. Slechts een paar metalen die bekend staan ​​als plasmonische metalen zijn goed om met SPP's te werken:goud, zilver, koper, en aluminium. Net als fotonen, SPP's zijn elektromagnetische golven, maar met dezelfde frequentie zijn ze veel beter gelokaliseerd - dat wil zeggen, ze nemen minder ruimte in beslag. Het gebruik van SPP's in plaats van fotonen maakt het mogelijk om licht te "comprimeren" en zo de diffractielimiet te overschrijden.

Het ontwerp van plasmonische lasers op nanoschaal is al mogelijk met de huidige technologieën. Echter, deze nanolasers worden optisch gepompt, dat is, ze moeten worden verlicht met externe omvangrijke en krachtige lasers. Dit kan handig zijn voor wetenschappelijke experimenten, maar niet buiten het laboratorium. Een elektronische chip bedoeld voor massaproductie en real-life toepassingen moet honderden nanolasers bevatten en werken op een gewone printplaat. Een praktische laser moet elektrisch worden gepompt, of, met andere woorden, aangedreven door een gewone batterij of gelijkstroomvoeding. Tot nu toe zijn dergelijke lasers alleen beschikbaar als apparaten die werken bij cryogene temperaturen, die niet geschikt is voor de meeste praktische toepassingen, omdat koeling met vloeibare stikstof doorgaans niet mogelijk is.

De natuurkundigen van het Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT) en King's College London hebben een alternatief voorgesteld voor de conventionele manier waarop elektrisch pompen werkt. Gewoonlijk vereist het schema van elektrisch pompen van nanolasers een ohms contact gemaakt van titanium, chroom, of een soortgelijk metaal. Bovendien, dat contact moet een onderdeel zijn van de resonator - het volume waar de laserstraling wordt gegenereerd. Het probleem daarbij is dat titanium en chroom sterk licht absorberen, wat de prestaties van de resonator schaadt. Dergelijke lasers hebben last van een hoge pompstroom en zijn vatbaar voor oververhitting. Dit is de reden waarom de behoefte aan cryogene koeling ontstaat, met alle ongemakken van dien.

Het voorgestelde nieuwe schema voor elektrisch pompen is gebaseerd op een dubbele heterostructuur met een tunneling Schottky-contact. Het maakt het ohmse contact met zijn sterk absorberende metaal overbodig. Het pompen gebeurt nu over het grensvlak tussen het plasmonische metaal en de halfgeleider, waarlangs SPP's zich voortplanten. "Onze nieuwe pompbenadering maakt het mogelijk om de elektrisch aangedreven laser op nanoschaal te brengen, terwijl het zijn vermogen behoudt om bij kamertemperatuur te werken. Tegelijkertijd, in tegenstelling tot andere elektrisch gepompte nanolasers, de straling wordt effectief gericht op een fotonische of plasmonische golfgeleider, de nanolaser geschikt maken voor geïntegreerde schakelingen, " Dr. Dmitry Fedyanin van het Centrum voor Fotonica en 2-D Materialen bij MIPT merkte op.

De door de onderzoekers voorgestelde plasmonische nanolaser is kleiner - in elk van zijn drie dimensies - dan de golflengte van het licht dat hij uitzendt. Bovendien, het volume dat wordt ingenomen door SPP's in de nanolaser is 30 keer kleiner dan de lichtgolflengte in blokjes. Volgens de onderzoekers is hun plasmonische nanolaser bij kamertemperatuur kan gemakkelijk nog kleiner worden gemaakt, waardoor de kenmerken nog indrukwekkender worden, maar dat zou ten koste gaan van het onvermogen om de straling effectief in een busgolfgeleider te extraheren. Dus, terwijl verdere miniaturisering het apparaat slecht toepasbaar zou maken op on-chip geïntegreerde schakelingen, het zou nog steeds handig zijn voor chemische en biologische sensoren en optische spectroscopie of optogenetica in het nabije veld.

Ondanks de afmetingen op nanoschaal, het voorspelde uitgangsvermogen van de nanolaser bedraagt ​​meer dan 100 microwatt, wat vergelijkbaar is met veel grotere fotonische lasers. Met zo'n hoog uitgangsvermogen kan elke nanolaser worden gebruikt om honderden gigabits per seconde te verzenden, het elimineren van een van de meest formidabele obstakels voor microchips met hogere prestaties. En dat omvat allerlei high-end computerapparatuur:supercomputerprocessors, grafische processors, en misschien zelfs enkele gadgets die in de toekomst worden uitgevonden.