• Українська
  • English
  • Русский
ISSN 1028-821X (Online)
ISSN 2415-3400 (Print)

СВЕРХИЗЛУЧЕНИЕ НАНОЛАЗЕРОВ В ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕДУРАХ

Мачехин, ЮП, Курской, ЮС, Гнатенко, АС, Ткаченко, ВА
Organization: 

Харьковский национальный университет радиоэлектроники
14, пр. Науки, Харьков, 61166, Украина

E-mail: oleksandr.hnatenko@nure.ua

https://doi.org/10.15407/rej2018.02.061
Язык: русский
Аннотация: 

 

Предмет и цель работы. Предметом исследований является сверхизлучение нанолазеров и процесс его формирования квантовыми точками, повышенной концентрацией неравновесных носителей заряда, а также физические принципы работы нанолазеров со сверхизлучением в телекоммуникационных системах. Целью работы является обоснование возможности использования нанолазеров в режиме сверхизлучения и устройств на их основе для решения задач передачи высокоскоростных оптических информационных сигналов и задач стабилизации частоты излучения.

Методы и методология работы. Выполнен обзор нескольких типов нанолазеров. Отмечено, что несмотря за создание ряда конструкций, не разработана общая теория стабилизации параметров излучения нанолазеров, что является сдерживающим фактором развития этого типа лазеров и их практического применения. Для использования нанолазеров в информационно-измерительных процедурах должны быть решены задачи стабилизации частоты излучения, получения импульсов заданной длительности (фемтосекундного порядка) и пиковой мощности. Для обеспечения импульсного излучения с необходимыми параметрами авторы предлагают использовать режим сверхизлучения, ранее обнаруженный в полупроводниковых гетероструктурах и выраженный в резком росте мощности излучения. Проведенный анализ условий формирования сверхизлучения в доменной структуре полупроводников основан на теоретической модели описания концентрации неравновесных носителей (электронов и дырок) в активной облас-ти лазера.

Результаты работы. Рассмотрен процесс возникновения сверхизлучения в нанолазерах и возможность использования этого эффекта. Доказано, что в режиме сверхизлучения в нанолазерах формируются фемтосекундные импульсы высокой пиковой мощности.

Заключение. Результаты проведенных исследований обосновывают возможность и перспективу использования нанолазеров в режиме сверхизлучения и устройств на их основе для передачи высокоскоростных оптических информационных сигналов, создания новых оптических стандартов частоты и устройств фотоники. Их применение будет способствовать развитию нанометрологии, нанотехники, информационных и иных технологий. Выполнены расчеты, доказывающие, что в режиме сверхизлучения нанолазеры формируют фемтосекундные импульсы мощ-ностью 10,9 мкВт, что позволяет передавать сигнал по волокну на дистанцию 750 м. В дальнейшем планируются работы то увеличению мощности таких лазеров для передачи информации на более длинные дистанции

Ключевые слова: генерация излучения, нанолазер, сверхизлучение, стабилизация частоты, фотоника

Статья поступила в редакцию 18.02.2018
PACS 42.55.Sa, 42.55.Px​
УДК 621.373.826
Radiofiz. elektron. 2018, 23(2): 61-68
Полный текст (PDF)
 

References: 
  1. Stockman M. I. Nanoplasmonics: past, present, and glimpse into future. Opt. Express. 2011. Vol. 19, N 22. P. 22029–22106.
  2. Hill M. T., Oei Y. S., Smalbrugge B., Zhu Y., de Vries T., van Veldhoven P. J., van Otten F. W. M., Eijkemans T. J., Turkiewicz J. P., de Waardt H., Geluk E. J., Kwon S., Lee Y., Nötzel R. and Smit M. K. Lasing in metallic-coated nanocavities. Nat. Photonics. 2007. N 1. P. 589–594.
  3. Ding K., Liu Z. C., Yin L. J., Hill M. T., Marell M. J. H., van Veldhoven P. J., Nöetzel R. and Ning C. Z. Room-temperature continuous wave lasing in deep-subwavelength metallic cavities under electrical injection. Phys. Rev. B. 2012. Vol. 85, Iss. 4. P. 041301(R). DOI:10.1103/PhysRevB.85.041301
  4. Ding K., Hill M., Liu Z., Yin L., Sahin D., van Veldhoven P., Geluk E. J., Vries T. D. and Ning C. Record Performance of a CW Metallic Subwavelength-Cavity Laser at Room Temperature. CLEO: Science and Innovations 2012 (Conference on Lasers and Electro-Optics 2012). OSA Technical Digest. San Jose, California United States, 6–11 May 2012, paper CTh4M.3.
  5. Khajavikhan M., Simic A., Katz M., Lee J. H., Slutsky B., Mizrahi M., Lomakin V., Fainman Y. Thresholdless nanoscale coaxial lasers. Nature. 2012. Vol. 482, N 7384. P. 204–207. DOI:10.1038/nature10840
  6. Planet Today, 2017. Самые маленькие в мире лазеры могут уничтожать раковые клетки. URL: http://planet-today.ru/novosti/nauka/item/71236-samye-malenkie-v-mire-lazery-mogut-unichtozhat-rakovye-kletki
  7. Lu Y. J., Wang C. Y., Kim J., Chen H. Y., Lu M. Y., Chen Y. C., Chang W. H., Chen L. J., Stockman M. I., Shih C. K., Gwo S. All-color plasmonicnanolasers with ultralow thresholds: autotuning mechanism for single-mode lasing. Nano Lett. 2014. Vol. 14, N 8. P. 4381–4388.
  8. Noginov M., Zhu G., Belgrave A., Bakker R., Shalaev V. M., Narimanov E. E., Stout S., Herz E., Suteewong T., Wiesner U. Demonstration of a spaser-based nanolaser. Nature. 2009. Vol. 460, N 7259. P. 1110–1112.
  9. Звелто О. Принципы лазеров. Пер. c англ. под ред. Т. А. Шмаонова. Изд. 4-е. Санкт-Петербург–Москва–Краснодар: Лань, 2008. 720 с.
  10. Dicke R. H. Coherence in Spontaneous Radiation Processes. Phys. Rev. 1954. Vol. 93, N 1. Р. 99–110.
  11. Карачевский Л. Я., Новиков И. И., Гордеев Н. Ю. Механизм сверхизлучения Дике в полупроводниковых гетероструктурах. Физика и техника полупроводников. 2004. T. 38, вып. 7. C. 872–876.
  12. Зайцев С. В., Гордеев Н. Ю., Graham L. A., Копчатов В. И., Карачинский Л. Я., Новиков И. И., Huffaker D. L., Копьев П. С. Сверхизлучение в полупроводниках. Физика и техника полупроводников. 1999. Т. 33, вып. 12. С. 1456–1461.
  13. Лебедев Д. В., Минтаиров А. М., Власов А. С., Давыдов В. Ю., Кулагина М. М., Трошков С. И., Богданов А. А., Смирнов А. Н., Gocalinska A., Juska G., Pelucchi E., Kapaldo J., Rouvimov S., Merz J. L. Лазерная генерация в микродисках с активной областью на основе решеточно-согласованных InP/AllnAs наноструктур. Журнал технической физики. 2017. Т. 87, Вып. 5. С. 1066–1071.
  14. Ankun Y., Hoang Т., Odomatall T. Real-time tunable lasings from plasmonics nanocavity arrays. NatCommun. 2015. Vol. 6, N 6939. 7 p. DOI: 10.1038/ncomms7939
  15. Железняков В. В. Что такое сверхизлучение. Соросовский образовательный журнал. 1997. № 4. C. 52–57.
  16. Аллен Л., Эберли Дж. Оптические резонансы и двух-уровневые атомы. Пер. с англ. под ред. В. Л. Стри-жевского. Москва: Мир, 1978. 221 с.
  17. Antimonide-Related Strained-Layer Heterostructures (Optoelectronic Properties of Semiconductors and Superlattice). 1st ed. by M. O. Manasreh (Ed.) Gordon and Breach Science Publ., 1997. 571 p.
  18. Зябловский А. А., Дорофеенко А. В., Виноградов А. П., Пухов А. А., Андрианов Е. С., Лисянский А. А. Двумерный сверхизлучающий плазмонный лазер. Проблемы современной физики. Труды 55-й научной конференции МФТИ. (19–25 ноября 2012) Москва–Долгопрудный–Жуковский: МФТИ, 2012. C. 14–15.
  19. Li H., Wolf P., Moser P., Larisch G., Lott J. A. and Bimberg D. Vertical cavity surface-emittine for optical interconnects. SPIE Newsroom. 2014. DOI:10.1117/2.1201411.005689
  20. Chin A. H., Vaddiraju S., Maslov A. V., Ning C. Z., Sunkara M. K., & Meyyappan, M. Near-infrared semiconductor subwavelength-wire laser. Appl. Phys. Lett. 2006. Vol. 88. P. 163115 (3 p.). DOI: 10.1063/1.2198017
  21. Van Campenhout J., Rojo-Romeo P., Regreny P., Seassal C., van Thourhout D., Verstuyft S., Di Cioccio L., Fedeli J.-M., Lagahe C. and Baets R. Electrically pumped InP-based microdisk laser integrated with a nanophotonic silicon on insulator waveguide circuit. Opt. Express. 2007. Vol. 15, Iss. 11. P. 6744–6749.
  22. Gnatenko A. S., Machekhin Yu. P. Generation mode stability of a fiber ring laser. Telecommunications and Radio Engineering. 2015. Vol. 74, N 7. P. 641–647.
  23. Жуков А. Е., Крыжановская Н. В., Максимов М. В., Липовский А. А., Савельев А. В., Богданов А. А., Шостак И. И., Моисеев Э. И., Карпов Д. В., Laukkanen J., Tommila J. Лазерная генерация в микродисках сверхмалого диаметра. Физика и техника полупроводников. 2014. Т. 48, Вып.12. С. 1666–1670.
  24. Дмитриев А. Л. Оптические системы передачи информации. Учеб. пособие. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2007. 96 c.