МИКРОЛА́ЗЕР

МИКРОЛА́ЗЕР, ла­зер, раз­ме­ры ре­зо­на­то­ра ко­то­ро­го при­бли­жа­ют­ся к пре­дель­но ма­лым, рав­ным по­ло­ви­не дли­ны вол­ны оп­тич. из­лу­че­ния. (В мик­ро­вол­но­вой об­лас­ти спек­тра ана­ло­гом М. яв­ля­ет­ся мик­ро­ма­зер.) При мень­ших раз­ме­рах ло­ка­ли­за­ции мод фо­тон­ная струк­ту­ра ста­но­вит­ся не­эф­фек­тив­ной для соз­да­ния об­рат­ной свя­зи, не­об­хо­ди­мой для по­лу­че­ния ла­зер­ной ге­не­ра­ции. Су­ще­ст­ву­ет неск. ти­пов М., раз­ли­чаю­щих­ся спо­со­бом обес­пе­че­ния ло­ка­ли­за­ции фо­то­нов.

Рис. 1. Микрорезонаторы Фабри – Перо, используемые в микролазерах: а – вертикальный микроколончатый; б – микростолбчатый с перетяжкой модового профиля; в – объёмный.

В по­верх­но­ст­но из­лу­чаю­щих по­лу­про­вод­ни­ко­вых М. с вер­ти­каль­ным мик­ро­ко­лон­ча­тым ре­зо­на­то­ром (рис. 1, а) цент­раль­ная ак­тив­ная об­ласть с кван­то­вы­ми яма­ми или слоя­ми с кван­то­вы­ми точ­ка­ми ок­ру­же­на свер­ху и сни­зу пе­рио­дич. по­лу­про­вод­ни­ко­вы­ми пла­нар­ны­ми струк­ту­ра­ми, об­ра­зую­щи­ми вер­ти­каль­ные мик­ро­ре­зо­на­то­ры (МР) Фаб­ри – Пе­ро с вы­со­ко­от­ра­жаю­щи­ми (ко­эф. от­ра­же­ния > 99%) зер­ка­ла­ми (т. н. рас­пре­де­лён­ные брэг­гов­ские зер­ка­ла). В го­ри­зон­таль­ном на­прав­ле­нии свет ло­ка­ли­зу­ет­ся за счёт пол­но­го внутр. от­ра­же­ния на гра­ни­це воз­дух – по­лу­про­вод­ник. В мик­ро­столб­ча­том МР с пе­ре­тяж­кой мо­до­во­го про­фи­ля (рис. 1, б) ло­ка­ли­за­ция фо­то­нов в го­ри­зон­таль­ном на­прав­ле­нии ещё боль­ше уве­ли­чи­ва­ет­ся за счёт из­ме­не­ния пе­рио­да ме­ж­ду пла­нар­ны­ми струк­ту­ра­ми в цент­раль­ной ак­тив­ной зо­не МР. М. на ос­но­ве вы­со­ко­доб­рот­ных объ­ём­ных МР Фаб­ри – Пе­ро (рис. 1, в) ло­ка­ли­зу­ют фо­то­ны про­доль­ных мод с по­мо­щью вы­со­ко­от­ра­жа­ю­щих зер­кал сан­ти­мет­ро­во­го диа­мет­ра, рас­по­ло­жен­ных на рас­стоя­ни­ях в неск. мкм друг от дру­га. В по­пе­реч­ном на­прав­ле­нии ло­ка­ли­за­ция фо­то­нов от­сут­ст­ву­ет. (На всех ри­сун­ках $Q$ – доб­рот­ность ре­зо­на­то­ра, $V$ – объ­ём уси­ли­ваю­щей сре­ды, $λ$  – дли­на вол­ны из­лу­че­ния, $n$ – по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния сре­ды.)

Рис. 2. Микрорезонаторы «шепчущих галерей»: а, б – микродисковые; в – микротороидальный; г – микросферический.

В М. с мо­да­ми «шеп­чу­щих га­ле­рей» (от назв. аку­стич. ре­зо­на­то­ров, об­ра­зу­ю­щих­ся в замк­ну­тых га­ле­ре­ях, бла­го­да­ря ко­то­рым слы­шен шё­пот, про­из­но­си­мый на про­ти­во­по­лож­ной сто­ро­не га­ле­реи) ло­ка­ли­за­ция фо­то­нов про­ис­хо­дит в при­по­верх­но­ст­ных об­лас­тях при рас­про­стра­не­нии волн вдоль пе­ри­мет­ра дис­ка или эк­ва­то­ра сфе­ры. Ак­тив­ная об­ласть об­ра­зу­ет­ся при ле­ги­ро­ва­нии ма­те­риа­ла ди­элек­три­ка или при соз­да­нии в по­лу­про­вод­ни­ках кван­то­вых ям или то­чек. Су­ще­ст­ву­ет неск. ви­дов та­ких МР: мик­ро­дис­ко­вый (рис. 2, а, б), мик­ро­то­рои­даль­ный (рис. 2, в) и мик­ро­сфе­ри­че­ский (рис. 2, г). Для под­во­да и от­во­да из­лу­че­ния в этих МР ис­поль­зу­ет­ся оп­тич. во­лок­но с пе­ре­тяж­кой.

Рис. 3. Фотонно-кристаллические микрорезонаторы: а – двумерный; б – одномерный.

В фо­тон­но-кри­стал­лич. М. фо­то­ны ло­ка­ли­зу­ют­ся в дву­мер­ном (рис. 3, а) или од­но­мер­ном (рис. 3, б) фо­тон­ном кри­стал­ле, соз­да­вае­мом с по­мо­щью на­но­раз­мер­ных от­вер­стий в мем­бра­не из по­лу­про­вод­ни­ко­во­го ма­те­риа­ла (напр., ар­се­ни­да гал­лия). В мес­тах, где от­вер­стия от­сут­ст­ву­ют, воз­ни­ка­ет МР для фо­то­нов вслед­ст­вие об­ра­зо­ва­ния уз­кой об­лас­ти не­ну­ле­вой плот­но­сти фо­тон­ных со­стоя­ний в за­пре­щён­ной зо­не фо­тон­но­го кри­стал­ла. При из­ме­не­нии в мем­бра­не раз­ме­ров и по­ло­же­ния ря­да от­вер­стий соз­да­ёт­ся од­но­мо­до­вый вол­но­вод $w$ для вы­во­да из­лу­че­ния из ре­зо­на­то­ра (рис. 3, а). Центр мем­бра­ны со­дер­жит один или неск. сло­ёв с по­лу­про­вод­ни­ко­вы­ми кван­то­вы­ми яма­ми или кван­то­вы­ми точ­ка­ми, яв­ляю­щи­ми­ся ак­тив­ной сре­дой М. На­кач­ка это­го М. осу­ще­ст­в­ля­ет­ся оп­тич. из­лу­че­ни­ем или элек­трич. то­ком. В по­след­нем слу­чае на по­верх­но­сти мем­бра­ны соз­да­ют­ся $n$- и $p$-слои и кон­такт­ные слои.

В од­но­мер­ном фо­тон­но-кри­стал­лич. М. (на­но­пуч­ко­вом М.) МР об­ра­зу­ет­ся фо­тон­но-кри­стал­лич. зер­ка­ла­ми на кра­ях МР и цент­раль­ной об­ла­стью с пе­ре­тяж­кой мо­до­во­го про­фи­ля за счёт из­меняю­ще­го­ся диа­мет­ра на­но­от­вер­стий (рис. 3, б).

За счёт силь­ной ло­ка­ли­за­ции фо­то­нов М. об­ла­да­ют боль­шой доб­рот­но­стью: вы­со­кой, в диа­па­зо­не $Q=$10³–10⁶ (рис. 1, а; 2, а, б; 3, а), и сверх­вы­со­кой, в диа­па­зо­не $Q=$10⁶–10¹⁰ (рис. 1, б, в; 2, в, г; 3, б).

Ис­поль­зо­ва­ние МР ма­ло­го мо­до­во­го объ­ё­ма $V$ для соз­да­ния М. обу­слов­ле­но ря­дом при­чин. Во-пер­вых, в та­ких ре­зо­на­то­рах уве­ли­че­на раз­ность час­тот со­сед­них осн. мод, что при­во­дит к умень­ше­нию чис­ла про­доль­ных мод, уча­ст­вую­щих в ла­зер­ной ге­не­ра­ции. (В пре­дель­ном слу­чае в МР с раз­ме­ра­ми по­ряд­ка дли­ны вол­ны $λ$ из всех та­ких мод ос­та­ёт­ся од­на.) Во-вто­рых, вбли­зи этих час­тот уве­ли­че­на плот­ность фо­тон­ных со­стоя­ний, что при­во­дит к уве­ли­че­нию ско­ро­сти $Γ$ спон­тан­но­го ис­пус­ка­ния из­лу­ча­те­ля в МР по срав­не­нию со ско­ро­стью $Γ_0$ спон­тан­но­го ис­пус­ка­ния в сво­бод­ное про­стран­ст­во. В-треть­их, уве­ли­чи­ва­ет­ся до­ля $β=Γ/(Γ+Γ_0)$ спон­тан­но­го ис­пус­ка­ния $Γ$ в ла­зер­ную (ре­зо­на­тор­ную) мо­ду в об­щем спон­тан­ном ис­пус­ка­нии $Γ+Γ_0$ ($Γ_0$ – спон­тан­ное ис­пус­ка­ние в не­ре­зо­на­то­рные мо­ды).

В пре­дель­ном слу­чае ма­лых объ­ё­мов МР и боль­ших доб­рот­но­стей фак­тор $β$ стре­мит­ся к еди­ни­це (по срав­не­нию со зна­че­ни­ем 10^–4–10^–5 в обыч­ных по­лу­про­вод­ни­ко­вых ла­зе­рах), при­во­дя к бес­по­ро­го­во­му ха­рак­те­ру воз­ник­но­ве­ния ла­зер­ной ге­не­ра­ции. От­сут­ст­вие яв­но­го по­ро­га ге­не­ра­ции обес­пе­чи­ва­ет воз­мож­ность бы­ст­ро­го пе­ре­клю­че­ния М. и улуч­ша­ет его ко­ге­рент­ные свой­ст­ва, осо­бен­но в ла­зе­рах с то­ко­вой на­кач­кой.

Пре­дель­ным раз­ме­ром ак­тив­но­го эле­мен­та, ис­поль­зуе­мо­го в М., яв­ля­ет­ся оди­ноч­ный атом или од­на кван­то­вая точ­ка. При этом для ра­бо­ты М., в от­ли­чие от обыч­но­го ла­зе­ра, дос­та­точ­но двух ра­бо­чих уров­ней. Ста­ти­сти­ка ла­зер­но­го из­лу­че­ния та­ко­го М. (а так­же бес­по­ро­го­во­го) бо­лее упо­ря­до­че­на по срав­не­нию с обыч­ным мно­го­атом­ным ла­зе­ром. Од­но­атом­ный М. мо­жет ге­не­ри­ро­вать из­лу­че­ние с суб­пу­ас­со­нов­ской ста­ти­сти­кой фо­то­нов.

М. сле­ду­ет от­ли­чать от мик­ро­чип-ла­зе­ров – твер­до­тель­ных ком­пакт­ных ла­зе­ров с мо­но­лит­ным ре­зо­на­то­ром тол­щи­ной по­ряд­ка 1 мм, ко­то­рый воз­бу­ж­да­ет­ся силь­но сфо­ку­си­ро­ван­ным из­лу­че­ни­ем ди­од­но­го ла­зе­ра. Пи­ко­вая мощ­ность мик­ро­чип-ла­зе­ров мо­жет дос­ти­гать не­сколь­ких де­сят­ков кВт, в от­ли­чие от М., мощ­ность ко­то­рых в им­пульс­ном ре­жи­ме $<$1 Вт, а в не­пре­рыв­ном $<$100 мВт в за­ви­си­мо­сти от ти­па МР и ак­тив­ной сре­ды.

М. мо­гут ис­поль­зо­вать­ся в уст­рой­ст­вах на­но­фо­то­ни­ки, ин­тег­ри­ро­ван­ных оп­то­элек­трон­ных и оп­то­ме­ха­нич. сис­те­мах, а так­же в сис­те­мах кван­то­вой ин­фор­ма­ции. Объ­е­ди­не­ние М. с мик­ро­элек­трон­ны­ми уст­рой­ст­ва­ми не­воз­мож­но из-за их раз­ли­чия в раз­ме­рах. Раз­мер тран­зи­сто­ра в совр. мик­ро­схе­мах мень­ше 45 нм, что на по­ря­док мень­ше дли­ны вол­ны оп­тич. из­лу­че­ния, т. е. са­мо­го ма­ло­го М. Од­на­ко мик­ро­элек­трон­ные уст­рой­ст­ва мож­но объ­е­ди­нять с на­но­раз­мер­ны­ми уст­рой­ст­ва­ми – на­но­ла­зе­ра­ми (спа­зе­ра­ми), в ко­то­рых для воз­бу­ж­де­ния из­лу­че­ния вме­сто фо­то­нов ис­поль­зу­ют­ся по­верх­но­ст­ные плаз­мо­ны. Спа­зе­ры [от англ. Surface Plasmon Amplification by Stimu­lated Emission of Radiation (уси­ле­ние по­верх­но­ст­ных плаз­мо­нов вы­ну­ж­ден­ным из­лу­че­ни­ем)] уже реа­ли­зо­ва­ны (М. А. Но­ги­нов и др., авг. 2009, США) на на­но­раз­мер­ных час­ти­цах зо­ло­та (диа­мет­ром ок. 40 нм), пре­вра­щаю­щих ко­ге­рент­но-уси­лен­ные плаз­мо­ны в ко­ге­рент­ное из­лу­че­ние с по­мо­щью кра­си­те­ля, на­не­сён­но­го на по­верх­ность этих час­тиц.