Ученые нашли способ накачивать лазеры, размеры которых не только в сотни раз меньше толщины человеческого волоса, но и меньше длины излучаемого ими света. С их помощью станет возможным обеспечить сверхбыструю передачу информации в многоядерных микропроцессорах ближайшего будущего. Исследование опубликовано в журнале Nanophotonics.

В 1980-е, когда оптоволоконные линии пришли на смену медным кабелям, значительно увеличилась скорость передачи информации. Свет оказался намного эффективнее электрического сигнала, так как он представляет собой электромагнитные волны с частотой в несколько сотен терагерц. Благодаря такой высокой частоте света возможно передавать терабиты информации в секунду.

В теории его можно было бы использовать в компьютерах или смартфонах. Если соединить оптическими коммуникационными линиями оперирующие электрическими сигналами компоненты, например ядра процессора, стало бы возможно почти мгновенно передавать большие объемы информации внутри чипа.

«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.

Главная проблема заключается в том, что для этого необходимо соединять оптику и электронику на микроуровне. Поэтому оптические компоненты должны быть не больше сотен нанометров, то есть в сто раз меньше толщины человеческого волоса. Аналогично миниатюрны должны быть и лазеры, без которых невозможно преобразование информации из электрической формы в оптическую. Однако длина световых волн сама составляет сотни нанометров. А фотон, неделимая частица света, просто не поместится в настолько маленьком лазере.

Решить эту проблему можно использованием поверхностных плазмон-поляритонов — коллективных колебаний электронов, которые находятся на границе металла и взаимодействуют с окружающим их электромагнитным полем. Они занимают гораздо меньше места, чем фотоны. Сегодня уже возможно создать необходимые нанолазеры. Для практического применения они должны работать «от батарейки», или, как говорят ученые, от электрической накачки. Но эта область остается недостаточно исследованной.

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 титана или хрома, причем контакт этот был частью резонатора, в котором и возникает излучение. Но эти металлы сильно поглощают свет и инфракрасное излучение, из-за чего снижается эффективность резонатора.

Кроме того, такие лазеры перегревались, так как им требовался большой ток накачки. Из-за этого их приходилось охлаждать, что было неудобно в использовании. Разработанная учеными схема электрической накачки позволяет полностью отказаться от использования титана и хрома. Электрическая накачка в новой схеме осуществляется непосредственно через границу плазмонного металла и полупроводника, где распространяются 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 разработанном нанолазере все линейные размеры не превышают длины волны излучаемого им света, а занимаемый плазмон-поляритонами объем в 30 раз меньше волны света. При этом мощность нанолазера превышает 100 микроватт, то есть он не уступает более крупным фотонным лазерам. Он может быть использован для передачи сотен гигабит информации в секунду, что позволит устранить одно из наиболее сложных ограничений на пути к еще более производительным компьютерам. При этом нанолазер можно уменьшить еще в несколько раз, хотя и с некоторой потерей эффективности.