Ученые ИТМО совместно с коллегами из Дальневосточного отделения РАН разработали компактный перовскитный микролазер, который позволяет управлять «закруткой» вихревого света и направлением его выхода. Каждый пучок волн становится отдельным каналом передачи данных, что можно использовать в задачах сенсорики, искусственного интеллекта и квантовых технологий. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Nano Letters.
Сергей Макаров, руководитель лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники и нового Института фотоники ИТМО. Источник фото: ИТМО
Обычный световой пучок распространяется в одном направлении. Но волну можно заставить закручиваться вокруг собственной оси — такой свет называют вихревым. У него есть особое свойство — орбитальный угловой момент: фаза световой волны закручивается по спирали вокруг направления распространения.
В фотонике свет с разными значениями орбитального углового момента можно использовать как разные состояния для передачи и обработки информации. В оптической связи это дает дополнительный способ кодировать данные: несколько пучков с разной «закруткой» могут распространяться одновременно и быть независимыми каналами связи — ученые ИТМО исследовали это в своей прошлой работе. Поэтому для развития таких систем нужны компактные источники, способные создавать вихревое излучение с заранее заданными характеристиками: к примеру, OAM-устройства, интегрируемые на фотонный чип.
В перспективе такие материалы могут использоваться для разработки разных элементов фотонных интегральных схем — например, фотодетекторов и модуляторов. Их можно применять в задачах искусственного интеллекта, квантовых технологиях и сенсорике — в качестве источника света для обнаружения токсичных газов в воздухе и анализа биомолекул.
Чтобы управлять свойствами вихревого света, ученые используют разные подходы: например, метаповерхности, наноантенны и специальные решетки в микролазерах. Исследователи лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники ИТМО и Дальневосточного отделения РАН предложили более простой способ: они создали микролазер с новой геометрией из галогенидного перовскита MAPbBr₃. В отличие от существующих способов, разработка не требует сложной многоступенчатой литографии при изготовлении. Устройство представляет собой микродиск из наноотверстий по краю, которые образуют структуру, похожую на шестеренку.
Перовскит обладает свойством генерировать свет, когда на него направляют оптическую накачку. При этом именно в форме микродиска этот свет не выходит вовне, а начинает распространяться вдоль края по круговой траектории. Чтобы сделать из него вихревой пучок и рассеивать волны наружу, и нужны неравномерные углубления, сделанные в определенном порядке и расстоянии друг от друга. Так свет, вышедший из разных отверстий, собирается в структуру, нужную для появления вихревого пучка. Изменяя геометрию устройства — например, радиус диска и расположение отверстий, — ученые могут вручную управлять характеристиками света, который испускает микролазер.
«Мы уже около девяти лет работаем с перовскитными микро- и нанолазерами и видим большой потенциал в перовскитной интегральной фотонике — создании миниатюрных оптических устройств, которые можно объединять на одном чипе. Перовскиты обладают высоким показателем преломления и подходят для создания нановолноводов, по которым распространяется свет», — отметил Сергей Макаров, один из авторов исследования, руководитель лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники и нового Института фотоники ИТМО.
Для изготовления структуры использовали фемтосекундный лазер — он дает очень короткие импульсы. С помощью пространственного модулятора света (устройства, меняющего амплитуду или фазу световых волн) ученые сформировали несколько лазерных пятен и расположили их по окружности. Затем рисунок последовательно поворачивали и переносили на поверхность перовскита. Получилась регулярная система наноотверстий с периодом около 270–350 нанометров. Самый компактный микролазер имел диаметр менее 3 микрон.
«Наш уникальный подход по обработке структуры фемтосекундным лазером позволяет управлять пучком не только внутри чипа, но и выводить его вовне. Это свойство может быть полезно в системах, где свет должен покинуть фотонный чип, пройти через свободное пространство и попасть на другой элемент или детектор», — рассказал Алексей Жижченко, первый автор статьи, ведущий научный сотрудник ДВО РАН.
Такой способ позволяет создавать микролазеры непосредственно лазером, в отличие от предыдущих аналогов. При этом важно было подобрать геометрию структуры: в одной конструкции необходимо было совместить очень маленькие отверстия и микрокольцо значительно большего размера.
В дальнейшем ученые планируют подробнее изучить возможности управления выходящим лазерным излучением и исследовать применение микролазеров для задач телекоммуникации.
Исследование поддержано Российским научным фондом (номер проекта 24-79-10271), Министерством науки и высшего образования Российской Федерации и федеральной программой «Приоритет-2030».
Информация и фото предоставлены пресс-службой Университета ИТМО
Источник фото: ИТМО
