ナノレーザー設計の重要な進歩

ナノレーザーには、マクロレーザーとは異なる独自の特性があります。ただし、ナノレーザーの出力放射がコヒーレントである電流を特定することはほとんど不可能です。さらに、実際のアプリケーションでは、ナノレーザーの2つの状態を区別することが重要です。高電流でのコヒーレント出力を伴う実際のレーザー効果と、低電流での非コヒーレント出力を伴うLEDのような状態です。モスクワ物理研究所の研究者は、ナノレーザーをどのような状況で実際のレーザーと呼ぶことができるかを決定する方法を開発しました。


近い将来、ナノレーザーは光集積回路に統合される予定です。集積光回路では、それらはフォトニック導波路に基づく新世代の高速相互接続に使用され、CPUおよびGPUのパフォーマンスが桁違いに向上します。同様に、光ファイバーインターネットの出現により、接続速度が向上し、エネルギー効率も向上しました。

これまでのところ、これがナノレーザーの唯一の可能な用途ではありません。研究者はすでに、数百分の1メートルのサイズの化学センサーとバイオセンサーを開発していますが、機械的ストレスセンサーは数十億分の1メートルのサイズです。ナノレーザーは、人間を含む生体のニューロンの活動を制御するためにも使用されると期待されています。


図1.（A）従来のマクロレーザーの出力パワーと（B）特定の温度での典型的なナノスケールレーザーのポンプ電流依存性。

放射線源がレーザーの特性を持つためには、多くの要件を満たす必要があります。主なポイントは、コヒーレント放射を放出する必要があるということです。コヒーレンスに密接に関連するユニークな特性は、いわゆるレーザー閾値の存在です。ポンプ電流がこのしきい値を下回ると、出力放射はほとんど自然に発生し、その特性は従来の発光ダイオード（LED）の出力と変わりません。しかし、しきい値電流に達すると、放射はコヒーレントになります。この時点で、従来のマクロレーザーの発光スペクトルは減少し、その出力はスパイクされます。後者の機能は、出力電流の変化をポンプ電流で調べることにより、レーザーのしきい値を決定する簡単な方法を提供します（図A）。

多くのナノレーザーは、従来のマクロレーザーのように動作し、しきい値電流を示します。ただし、一部のデバイスでは、出力しきい値とポンプ電流の曲線を分析してレーザーのしきい値を決定することはできません。これは、対数目盛の直線のみであるため、特別な特性がないためです（図Bを参照）。このようなナノレーザーは「しきい値なしレーザー」と呼ばれ、疑問が生じます。どの電流で放射がコヒーレントになるのか、それともレーザーのようになりますか？

この質問に答える明らかな方法は、一貫性を測定することです。ただし、放出スペクトルや出力パワーとは異なり、ナノレーザーの場合、コヒーレンスを測定することは困難です。これには、ナノレーザーで内部プロセスが発生する時間スケールである、1兆分の1秒単位で強度変動を記録できる機器が必要になるためです。

モスクワ物理技術研究所のAndrey VishniviとDmitry Fediainenは、技術的に困難な直接コヒーレント測定をバイパスする方法を発見しました。彼らは、主要なレーザーパラメータを使用してナノレーザー放射のコヒーレンスを定量化する方法を開発しました。研究者は、彼らの技術がナノレーザーの閾値電流を決定できると主張している（上記B）。彼らは、「しきい値のない」ナノレーザーでさえ、実際に発光ダイオードをレーザー場から分離する独自のしきい値電流を持っていることを発見しました。放射された放射は、このしきい値電流以下では無関係であり、それ以上ではコヒーレントです。


図2.上の図は、ナノレーザーのしきい値電流とデバイス温度の関係を示しています。

驚くべきことに、ナノレーザーのしきい値電流は、出力特性または発光スペクトルの低下とは関係がありません。これはマクロレーザーのレーザーしきい値の兆候です。図1bは、出力特性に重要な点が見られた場合でも、レーザー状態への遷移がより高い電流で発生することを明確に示しています。これは、ナノレーザーのレーザー科学者にとって予測不可能です。

「私たちの計算表、ナノレーザーに関するほとんどの論文では、レーザーの加工機は実装されていません。出力特性のキンクポイントで測定する研究がありますが、ナノレーザーの放出は実際のレーザー閾値のために無関係です。キンク値を1桁上回った「フェディアネンが追加されました。」通常、ナノレーザーの自己発熱により、コヒーレントな出力を達成することは困難です。

したがって、錯覚レーザーのしきい値を実際のレーザーのしきい値と区別することが重要です。コヒーレントな測定と計算は困難ですが、VishnevichとFediainenは、任意のナノレーザーに適用できる簡単な式を提案しました。この式と出力特性を使用して、ナノレーザーエンジニアは、作成した構造のしきい値電流を迅速に測定できるようになりました（図2を参照）。

JävšnievichとFedyaninによって報告された結果は、設計の一貫性に関係なく、ナノレーザーの放射点を事前に予測できます。これにより、エンジニアは所定の特性と保証されたコヒーレンスを備えたナノレーザーを開発できます。