Разработан нанолазер для микропроцессоров будущего

Статья опубликована в журнале Nanophotonics. Использование световых сигналов уже привело к одной революции, когда в 1980-е годы оптоволоконные линии пришли на смену медным кабелям. Это на много порядков увеличило скорость передачи информации. Свет оказался гораздо эффективнее электрического сигнала по той причине, что он представляет собой электромагнитные волны с частотой в несколько сотен терагерц. Такая высокая частота света позволяет передавать терабиты информации в секунду.

Весь современный интернет держится на оптоволоконных линиях, но это далеко не все, на что способен свет. Он мог бы работать даже внутри процессора — будь то компьютер, смартфон или иное устройство. Для этого нужно соединить оперирующие электрическими сигналами компоненты — например, ядра процессора — оптическими коммуникационными линиями, работающими исключительно со светом. Это позволит 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.

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.

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.

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. Исследование поддержано грантом Российского фонда фундаментальных исследований.