РЕШЕТКА ДИПОЛЬНЫХ НАНОЛАЗЕРОВ
DIPOLAR NANOLASER ARRAY

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к полупроводниковым лазерам, а именно к решеткам дипольных нанолазеров, и может быть использовано в системах записи, считывания и обработки информации.
Известна решетка нанолазеров [W. Zhou et al. "Lasing action in strongly coupled plasmonic nanocavity arrays" Nature Nanotechnology 8, 506-511 (2013)], состоящая из двумерной решетки наночастиц золота - наноантенн, размещенных на стеклянной подложке в активной среде - слое полиуретана с молекулами красителя IR-140. Это устройство принято за прототип. Решетка состоит из наночастиц диаметром d=130 нм, высотой h=60 нм, размещенных в узлах квадратной сетки с периодом 600 нм. В устройстве молекулы красителя активной среды оптически возбуждались фемтосекундным лазером с длиной волны излучения 800 нм, и решетка наночастиц с молекулами красителя генерировала лазерное излучение на длине волны около λ=913 нм.
Главным недостатком указанного устройства являются высокие потери мощности накачки, возникающие из-за высокой, сопоставимой со скоростью лазерного излучения, скоростью радиационных потерь в нелазерные моды излучения наночастиц. Большие потери мощности накачки являются причиной других недостатков прототипа, затрудняющих его практическое использование: низкой плотности мощности и спектральной плотности лазерного излучения, невозможности работы в непрерывном режиме генерации, невозможности использования малогабаритной, надежной и удобной электрической накачки током инжекции и, как следствие, сложность и большие размеры прототипа, включающего систему накачки - фемтосекундный лазер; малый (менее 1%) КПД прототипа. Указанные недостатки обусловлены использованием в устройстве-прототипе цилиндрических наночастиц, для которых скорость радиационных потерь (спонтанного излучения) в одну из нелазерных мод высока и сопоставима со скоростью лазерной генерации вблизи порога. Высокие радиационные потери активной среды обуславливают низкий внутренний КПД прототипа: потери энергии, доведенной до наночастиц, заведомо превышают 75%, так как более половины энергии идет в нелазерные моды, а не менее половины оставшейся энергии поглощается в частице. Внутренний КПД прототипа, таким образом, составляет менее 25%, что не позволяет использовать в нем электрическую накачку, получать непрерывный режим генерации и обуславливает другие недостатки прототипа.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение КПД решетки дипольных нанолазеров, реализация непрерывного режима, достижение более узкого спектра генерации, уменьшение размеров устройства, повышение его надежности, снижение пороговой мощности накачки, возможность использования в качестве активной среды полупроводниковых материалов, накачиваемых током инжекции.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой решетке дипольных нанолазеров, включающей подложку, на которой находится активный слой, металлические наночастицы-наноантенны, локализованный плазмонный резонанс которых совпадает с оптическим резонансом активного слоя, подложка и активный слой выполнены из полупроводникового материала, на активный слой нанесен прозрачный проводящий слой и слой наночастиц-наноантенн, выполненных вытянутыми так, что их продольный размер в 1.5-4 раза превышает их поперечные размеры, и расположенных вдоль прямых, параллельных их большим измерениям, на подложку со стороны, противоположной активному слою, нанесен металлический электрический контакт, расстояние между активным слоем и слоем наночастиц-наноантенн составляет от 0.1 до 1 большего размера наноантенны.
Указанный технический результат достигается также тем, что между прозрачным проводящим слоем и слоем наноантенн дополнительно нанесен прозрачный диэлектрический слой.
2
Указанный технический результат достигается также тем, что в качестве источника накачки используют источник тока, обеспечивающий плотность тока между электрическим контактом, нанесенным на подложку со стороны, противоположной активному слою, и прозрачным проводящим слоем 1-10 кА/см.
2
3
2
Указанный технический результат достигается также тем, что в качестве прозрачного проводящего слоя используют легированный оксидом олова InO или легированные ZnO и TiO.
III
V
II
IV
IV
IV
x
x
x
x
1-x
x
1-x
y
1-y
1-x
1-x
y
1-y
1-x
x
x
1-x
Указанный технический результат достигается также тем, что в качестве полупроводникового материала используют материалы из групп: прямозонные соединения типа AB, AB, AB, гетероструктуры: GaAlAs/GaAs, GaInAsP/InP, GaAlAs /InP, GaAlAsP / GaAlP, GaN/AlGaN.
Сущность изобретения поясняется Фиг. 1, где: 1 - полупроводниковый кристалл; 2 - активный слой; 3 - прозрачный проводящий слой (верхний электроконтакт); 4 - слой металла (нижний электроконтакт); 5 - прозрачный диэлектрический слой; 6 - металлическая наночастица-антенна (наноантенна); 7 - электромагнитное поле, с помощью которого активный слой 2 взаимодействует с наноантеннами 6; 8 - источник тока накачки; 9 - электромагнитное излучение, генерируемое РДНЛ.
||
⊥
⊥
Предлагаемая решетка дипольных нанолазеров (РДНЛ) (фиг. 1) включает подложку, выполненную из полупроводникового кристалла 1, вблизи (на расстоянии от единиц до десятков нанометров) одной из поверхностей которого расположен активный, то есть способный резонансно излучать электромагнитное поле, слой 2, включающий эмиттеры, например, квантовые точки или квантовые ямы или гетеропереход или объемный p-n-переход носителей заряда в полупроводнике; прозрачный проводящий слой 3 толщиной от нескольких до десятков нанометров; металлический электрический контакт 4, нанесенный на подложку 1 со стороны, противоположной активному слою 2; поверх проводящего слоя 3 возможно нанесение прозрачного диэлектрического слоя 5, например полимерной пленки толщиной 1-10 нм; на лицевую поверхность РДНЛ упорядоченно, например параллельно друг другу, с центрами в узлах прямоугольной решетки нанесены металлические наночастицы-наноантенны 6, выполненные, например, из серебра. Один из размеров наноантенн (продольный b) превышает два других (поперечных b) в 1.5-4 раза, меньшие размеры b наноантенн составляют от 10 до 100 нм, расстояния между соседними наноантеннами составляют от 10 до 1000 нм.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
in
ПР
ПР
ПР
ПР
ПР
ПР
ПР
in
th
th
2
2
2
При включении источника тока 8 в устройстве между электрическим контактом 4 и прозрачным проводящим слоем 3 протекает ток плотности j, который обеспечивает инжекцию носителей в активный слой 2, в результате чего в нем возникает инверсная населенность энергетических состояний электронов и излучение в моды 7 электромагнитного поля наноантенн 6. Наночастицы-антенны 6 взаимодействуют с активным слоем 2 через электромагнитное поле мод 7 наноантенн, включающее ближнее (кулоновское) электромагнитное поле зарядов наноантенн. Частота ω плазмонного резонанса колебаний электронов проводимости вдоль наноантенн - лазерной моды - близка к резонансной частоте ω генерации электромагнитного поля в активном слое: ω-ω≤Г - ширины ПР; частоты ПР колебаний электронов проводимости поперек наноантенн - нелазерных мод - отличаются от ω на величины не менее δ, которое порядка нескольких Г или более - в зависимости от материалов, из которых изготовлена предлагаемая решетка (фиг. 1) (для типичных материалов наночастиц - серебра или золота Г~0.1-0.01ω, ω соответствует видимой красной или ближней ИК области спектра). Достаточная величина отстройки δ обеспечивает уменьшение потерь в РДНЛ за счет уменьшения скорости спонтанного излучения из активного слоя 2 в нелазерные моды наноантенн. Генерация лазерного излучения 9 возникает, когда j>j - пороговой плотности тока, величина j составляет от 1 до 10 кА/см, при площади решетки РДНЛ от 1 мм до 10 см.
Одним из принципиальных отличий предложенной здесь схемы РДНЛ от известных устройств является использование вытянутых наноантенн, один размер которых превосходит два другие, и оптимизация электромагнитной связи эмиттеров активного слоя с решеткой наноантенн путем подбора оптимального расстояния а между активным слоем 2 и наноантеннами 6. Оптимальная величина а составляет примерно половину большего размера антенн, определяется для конкретной конструкции устройства и соответствует скорости спонтанного излучения эмиттеров активного слоя в нелазерные моды наноантенн в интервале 100 МГц - 1 ГГц, что в 10-100 раз меньше скорости спонтанного излучения эмиттеров в лазерную моду наноантенн. Оптимальное а реализуется подбором толщин слоев 3 и 5.
1+α
th
Может быть достигнута самофазировка наноантенн РДНЛ за счет их взаимодействия друг с другом через излучаемое ими электромагнитное поле. При самофазировке N резонансных излучателей - наноантенн 6, мощность их излучения возрастает с N как N, 0<α<1, поэтому при самофазировке наноантенн может быть достигнуто понижение порога генерации и уменьшение j. Также при самофазировке наноантенн РДНЛ уменьшается расходимость генерируемого излучения: при несфазированном излучении наноантенн угол дифракционной расходимости определяется размером наноантенны а при сфазированном - размерами решетки, т.е. угол расходимости уменьшается пропорционально отношению размера решетки к размеру наноантенны.
Использование полупроводниковой структуры с инжекционной накачкой и оптимизированной электромагнитной связью эмиттеров активного слоя с фазированной решеткой вытянутых наночастиц-наноантенн позволяет избежать усиления спонтанного излучения в направлениях, не совпадающих с направлением лазерной генерации, дополнительно повышая при этом эффективность генерации вынужденного излучения решеткой.
Использование предлагаемой решетки дипольных нанолазеров с инжекционной накачкой позволяет повысить эффективность и надежность накачки, уменьшить размеры устройства по сравнению с известными аналогами.
Относительно невысокие пороговые величины плотности тока накачки 1-10 кА/кв.см позволяют получить непрерывный режим генерации, поскольку при таких плотностях тока не происходит разогрева и деградации полупроводниковых структур.
В полупроводниковых активных средах, используемых в РДНЛ, достижимы коэффициенты усиления в 1000 1/см и даже более, в то время как в активных средах с красителями, как в прототипе, коэффициент усиления не превышает 10 1/см. Более высокие коэффициенты усиления в предложенном устройстве позволяют снизить пороговую скорость накачки и достичь более узких линий генерации, поскольку ширина линии генерации лазера уменьшается пропорционально превышению уровня его накачки над пороговым уровнем.
Вытянутые наночастицы-наноантенны имеют больший дипольный момент, чем наночастицы-цилиндры такого же объема. Больший дипольный момент означает большую скорость и мощность излучения. Также вытянутые наночастицы-наноантенны имеют меньшую площадь поверхности, с которой сталкиваются электроны при движении вдоль частиц, в сравнении с наночастицами-дисками того же объема. Это тоже уменьшает потери, приводит к снижению порога генерации и сужению ее спектра.
В РДНЛ имеется возможность высокой скорости модуляции генерируемого излучения за счет большой ширины его спектра: ширина спектра генерации вблизи порога - порядка ширины плазмонного резонанса наночастиц-наноантенн.
Упорядоченные массивы вытянутых наночастиц-наноантенн на полупроводниковых поверхностях могут изготавливаться из горизонтальных металлических нитей, например, методами нанолитографии, хорошо отработанными в микроэлектронике.