ФОТОНЫ ПОШТУЧНО
В своем выступлении д.ф.-м.н. В.А. Гайслер (ИФП им. А. В. Ржанова СО РАН) рассказал о быстродействующих лазерах и излучателях одиночных фотонов с вертикальным резонатором.
 |
| В. А. Гайслер держит в руках пластину, содержащую десятки тысяч лазеров.
|
Лазеры с вертикальным резонатором (ЛВР) — наиболее миниатюрные, экономичные и быстродействующие лазеры. Они являются рекордсменами по этим параметрам не только среди полупроводниковых лазеров, но и неоспоримо лидируют в области всей лазерной техники: объем резонатора может составлять несколько кубических длин волн, пороговые токи генерации могут быть на уровне ~ 10 мкА, а частота токовой модуляции способна достигать десятков гигагерц.
Вертикальный резонатор, как правило, формируется в едином технологическом процессе выращивания полупроводниковой гетероструктуры, содержащей два полупроводниковых брэгговских зеркала. Ось резонатора ориентирована вертикально по отношению к плоскости полупроводниковой структуры. Вертикальные резонаторы характеризуются малым размером и обеспечивают эффективную локализацию энергии электромагнитной волны как в аксиальном, так и в латеральном направлениях.
Структура лазера с вертикальным резонатором относится к числу наиболее сложных и прецизионных полупроводниковых структур, разработанных к настоящему моменту. Число различных полупроводниковых слоев нанометровой толщины в такой структуре может достигать и даже превышать 1000, при этом точность задания толщины слоев должна быть не хуже 1 %. Технология выращивания этих структур методом молекулярно-лучевой эпитаксии успешно развивается в ИФП на протяжении последних 10 лет.
Одна из уникальных характеристик ЛВР — высокое быстродействие, что позволяет использовать его в оптических высокоскоростных системах передачи информации. К настоящему времени с использованием ЛВР продемонстрирована скорость передачи данных 40 Гбит/c, что является мировым рекордом, однако это ещё не предел потенциала данного типа излучателей. Другая особенность ЛВР — возможность изготовления матриц, содержащих десятки и сотни излучателей, а это уже открывает перспективы разработки сверхмощных оптических систем передачи данных, обеспечивающих скорости на уровне терабит в секунду.
Использование ЛВР в оптических системах передачи данных — важнейшее, но не единственное применение этих лазеров. Другая интересная возможность применения ЛВР — его использование в миниатюрных атомных стандартах частоты. В миниатюрных атомных стандартах частоты нового поколения (Chip-scale atomic clock, CSAC) резонансные лампы заменяются на сверхминиатюрные полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором (ЛВР), что открывает перспективы создания нового класса приборов — атомных стандартов частоты с малым весом (десятки грамм), размерами (сантиметры) и малым энергопотреблением (десятки милливатт). Это позволит существенно улучшить характеристики большого числа телекоммуникационных и навигационных устройств. В ИФП СО РАН в течение последних двух лет разработаны экспериментальные образцы одномодовых ЛВР с длиной волны излучения ~ 795 нм, соответствующей переходу
5S1/2 → 5P1/2 атомов Rb87. Характеристики разработанных ЛВР соответствуют требованиям, предъявляемым к излучателям для миниатюрных атомных стандартов частоты на основе Rb87; разработанные лазеры могут быть использованы для создания экспериментальных миниатюрных атомных стандартов частоты.
Вторая часть доклада посвящена излучателям одиночных фотонов (ИОФ). ИОФ, конечно же, не лазер — одиночному фотону не с чем находиться в когерентных взаимоотношениях. Но создание полупроводниковых ИОФ было бы немыслимо без ЛВР.
Излучатель одиночных фотонов (или однофотонный излучатель) — это абсолютный предел миниатюризации излучателей света. Определим, что он представляет собой: излучатель одиночных фотонов — это фотонный источник, в котором под действием управляющего сигнала (и только под действием этого сигнала) излучается один (и только один) фотон. Излучение ИОФ характеризуется неклассической суб-пуассоновской статистикой, а идеальный излучатель одиночных фотонов генерирует однофотонные фоковские состояния (световой поток с нулевым шумом). ИОФ может быть реализован только на основе изолированной квантовой системы: одиночного атома, молекулы, искусственного атома (полупроводниковой квантовой точки). Создание эффективных ИОФ представляет собой сложнейшую научно-техническую проблему, включающую в себя решение трёх задач: локализации, изоляции квантовой системы; эффективной накачки изолированной квантовой системы; сбора излучения.
Излучатели одиночных фотонов могут найти применение в системах квантовой криптографии и квантовых вычислений. Они также необходимы для прецизионной спектроскопии и создания эталонов оптической мощности. К настоящему моменту однофотонное излучение (с оптической лазерной накачкой) продемонстрировано на целом ряде объектов: одиночных атомах и ионах, одиночных молекулах, центрах окраски и одиночных полупроводниковых квантовых точках. Достоинством полупроводниковых квантовых точек является возможность создания излучателя одиночных фотонов с токовой накачкой в виде сверхминиатюрного светодиода, т.е. полностью твердотельного компактного излучателя. Такой излучатель реализован в Институте физики полупроводников СО РАН совместно с берлинским Институтом физики твердого тела (ФРГ). ИОФ содержит брэгговский вертикальный микрорезонатор, который используется для увеличения внешней квантовой эффективности, и слой квантовых точек InGaAs низкой плотности. На одном квадратном микроне в среднем размещается одна квантовая точка. Инжекция тока в слой с квантовыми точками осуществляется через оксидную апертуру с субмикронным внутренним диаметром, что обеспечивает токовое возбуждение лишь одной квантовой точки. Спектр излучения содержит единственную узкую линию, отвечающую рекомбинации экситона, локализованного в одиночной квантовой точке.
Таким образом, все три задачи по созданию эффективного ИОФ, сформулированные выше, удается решать в рамках полупроводниковых нанотехнологий. Анализ статистики фотонов разработанного излучателя демонстрирует, что вероятность двухфотонного излучения в заданный интервал времени близка к нулю. Использование брэгговского вертикального микрорезонатора позволяет существенно увеличить внешнюю квантовую эффективность излучателя (до уровня ~ 30 %) и значительно уменьшить время спонтанной эмиссии экситона квантовой точки за счет эффекта квантовой электродинамики — эффекта Парселла. Фактор Парселла для разработанного микрорезонатора составляет ~ 2,5, что обеспечивает большее быстродействие излучателя в 2–2,5 раза. Излучатель одиночных фотонов относится к числу первых полупроводниковых оптоэлектронных приборов, принцип работы которых основан на эффектах квантовой электродинамики резонаторов. Уменьшение времени спонтанной эмиссии экситона квантовой точки за счет эффекта Парселла с ~ 1 нс до ~ 0,4 нс позволило поднять быстродействие ИОФ до рекордно высокого уровня 1 ГГц.
Подведём итог. Полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором (ЛВР), обладая высоким быстродействием и возможностью интегрирования в матрицы большого формата, представляют собой идеальный излучатель для оптических систем параллельной передачи информации со скоростью передачи данных по одному каналу 10 Гбит/с и выше. Использование ЛВР в матричном исполнении открывает перспективы создания оптических информационных систем с быстродействием на уровне 1 Тбит/с. Эффективные излучатели одиночных фотонов (ИОФ) с токовой накачкой на основе полупроводниковых квантовых точек и брэгговских вертикальных микрорезонаторов могут представлять большой интерес для систем квантовой криптографии и квантовых вычислений, а также для разработки прецизионного спектрального оборудования и эталонов оптической мощности. Скорость передачи данных с использованием данного типа ИОФ может достигать 1 Гбит/с и выше.
Подготовила
Ю. Александрова, «НВС»
стр. 8
|
