Ученые Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге выяснили, что микролазеры могут генерировать излучение на нескольких частотах даже при высокой температуре. Это позволит в будущем использовать их в фотонных интегральных схемах и передавать в два раза больше информации.
Исследователи провели эксперименты, чтобы выяснить, как именно размер резонатора влияет на критическую температуру. Они изучили температурный диапазон от 20 °C до 110 °C и выяснили, что чем выше температура, тем меньше энергии нужно лазеру для одновременной генерации двух различимых излучений. Также ученые зафиксировали, что критическая температура падает с 107 до 37 °C при уменьшении диаметра микродиска с 28 до 20 мкм.
Для передачи данных на большие расстояния, например, для доставки информации из интернета в компьютер, используется оптоволокно. Информацию переносит световой сигнал, который распространяется в 100 раз быстрее электрического. Световой сигнал создают лазеры, преобразующие электрическую энергию в свет строго определенной длины волны и направленности.
Обычно лазер излучает лишь на одной длине волны — генерирует монохроматическое излучение. В 1999–2000 годах две группы ученых предложили в активной области микролазера использовать слои с квантовыми точками, как это уже делалось в классических полупроводниковых лазерах. Квантовые точки при определенных условиях могут позволить микролазеру излучать на двух хорошо различимых длинах волн. Это явление называется двухуровневой генерацией.
«В режиме двухуровневой генерации лазер может одновременно генерировать излучение на двух длинах волн (например, красного и оранжевого цвета). При этом мы можем управлять тем, каким именно цветом светит лазер: только красным, только оранжевым или обоими цветами одновременно. Это открывает большие возможности для кодирования передаваемой информации и, соответственно, повышения пропускной способности таких систем», — рассказал один из авторов статьи, научный сотрудник Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург Иван Махов.
Эксперимент помог вывести уравнения, позволяющие на основе размера резонатора определить критическую температуру и плотность порогового тока для двухуровневой лазерной генерации. Ученые отмечают, что теперь, зная, в каких условиях будет работать электроника, можно будет выбрать для нее оптимальный по размеру резонатор лазера.
Исследователи также назвали и другое применение лазера с двухуровневой генерацией. Его можно использовать в нейроморфных нейронных сетях, где имитируется поведение нейронов в мозге, — тогда одна из длин волн соответствует импульсу возбуждения, а другая — импульсу торможения.
Исследование выполнено по программе «Приоритет-2030». Результаты исследования опубликованы в журнале Nanomaterials.
