«Устранение ограничения на передачу информации поможет дальше наращивать производительность процессора прямо пропорционально количеству ядер. Можно будет создать 1000-ядерный процессор, который практически в 100 раз быстрее 10-ядерного. Это, в свою очередь, откроет дорогу к настоящим суперкомпьютерам на одном чипе. Именно в этом направлении движутся гиганты полупроводниковой индустрии, такие как IBM, HP, Intel, Oracle, и другие», — говорит ведущий автор исследования, старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Дмитрий Федянин.

Трудность заключается в том, что соединить оптику и электронику требуется на микроуровне. Для этого размеры оптических компонентов должны не превышать сотен нанометров, что в сто раз меньше толщины человеческого волоса. Встроенные в чипы лазеры, без которых преобразование информации из электрической формы в оптическую попросту невозможно, должны быть столь же миниатюрны.

Однако свет — это электромагнитные волны, длина которых составляет сотни нанометров. А фотон, квант света, согласно квантовому принципу неопределенности, занимает определенный конечный объем в пространстве. Этот объем не может быть меньше кубика, ребро которого примерно равно длине волны света, поэтому грубо можно сказать, что фотоны в очень маленьком лазере просто не поместятся. Впрочем, такое ограничение на размер оптических устройств, дифракционный предел — не абсолютное препятствие для оптоэлектроники. Решить проблему можно переходом от фотонов к поверхностным плазмон-поляритонам.

Нанолазер на поверхностных плазмон-поляритонах с электрической накачкой

Поверхностные плазмон-поляритоны — это коллективные колебания электронов, которые находятся на границе металла и взаимодействуют с окружающим их электромагнитным полем. Подходят, однако, не все металлы, а лишь так называемые плазмонные: золото, серебро, медь и алюминий. Поверхностные плазмон-поляритоны так же, как и фотоны являются электромагнитными волнами, но при той же частоте, что и фотоны они гораздо лучше локализованы в пространстве, то есть занимают меньший объем. Замена фотонов на поверхностные плазмон-поляритоны дает возможность сжать свет и тем самым преодолеть дифракционный предел.

Современные технологии уже позволяют создавать действительно наноразмерные плазмонные лазеры. Однако их требуется освещать другим — большим и мощным — лазером. Такая технология удобна для экспериментов в лаборатории, но не более того. По‑настоящему массовые и пригодные для реальных задач микросхемы должны содержать сотни нанолазеров и работать на обычных печатных платах. Для практического применения нанолазеру нужно работать «от батарейки», или, как говорят ученые, от электрической накачки. Такие нанолазеры называются инжекционными. Однако пока достижения в этом направлении ограничивались лишь образцами, работающими при криогенных температурах. Это не подходит для большинства практических задач: устройство, которое не функционирует без жидкого азота, не слишком удобно.

Физики из МФТИ и Королевского колледжа Лондона предложили отказаться от традиционных схем электрической накачки нанолазеров. Дело в том, что ранее применявшиеся схемы накачки требовали наличия омического контакта из таких металлов, как титан или хром, причем контакт этот был частью резонатора — объема, в котором и возникает излучение. Но титан и хром сильно поглощают свет и инфракрасное излучение, а для резонатора это плохо — он теряет свои свойства, или, как говорят физики, снижается его добротность. Таким лазерам требовался большой ток накачки — и они перегревались. Поэтому их приходилось охлаждать до криогенных температур со всеми вытекающими отсюда неудобствами. Их работа опубликована в журнале Nanophotonics.

Новая схема электрической накачки на основе двойной гетероструктуры с туннельным контактом Шоттки позволяет полностью отказаться от омического контакта из сильнопоглощающих материалов. Электрическая накачка в новой схеме осуществляется непосредственно через границу «плазмонный металл / полупроводник — ту, по которой распространяются поверхностные плазмон-поляритоны. «Благодаря нашей схеме накачки инжекционный лазер может быть уменьшен до действительных наноразмеров, сохраняя возможность работы при комнатной температуре. При этом, в отличие от других инжекционных нанолазеров, излучение эффективно выводится в фотонный или плазмонный волновод, что позволяет использовать нанолазер в интегральных схемах», — говорит Дмитрий Федянин.

В предложенном исследователями плазмонном нанолазере все линейные размеры не превышают длины волны излучаемого им света. А объем, занимаемый плазмон-поляритонами в нанолазере, в 30 раз меньше кубика, ребро которого равно длине волны света. Исследователи отмечают, что их плазмонный нанолазер можно уменьшить еще в несколько раз. Это сделает его характеристики еще более впечатляющими — правда, ценой потери возможности эффективно выводить излучение в волновод. Нанолазер меньших размеров пригодится в химических сенсорах и биосенсорах, ближнепольной оптической спектроскопии или оптогенетике, но окажется малопригодным для интегральных оптических схем на чипе.

Несмотря на наноразмеры, расчетная выходная мощность нанолазера превышает 100 микроватт, что сопоставимо с мощностью фотонных лазеров гораздо большего размера. Каждый нанолазер сможет быть использован для передачи сотен гигабит информации в секунду, что позволит устранить одно из наиболее сложных ограничений на пути к еще более производительным компьютерам. Разумеется, под компьютерами здесь следует понимать любую вычислительную систему, от которой ожидается большая производительность: это и процессоры для суперкомпьютеров, и чипы для видеокарт, и, возможно, какие-то гаджеты, которые пока даже не изобретены.