Специалисты из Санкт-Петербургского университета ИТМО в сотрудничестве с исследователями Дальневосточного отделения Российской академии наук создали миниатюрный перовскитный микролазер, обеспечивающий возможность контроля над «закруткой» вихревого света и определением направления его излучения. Каждый световой пучок может функционировать как отдельный канал для передачи информации, что открывает перспективы применения в области сенсорных систем, искусственного интеллекта и квантовых технологиях. Описание научной работы, выполненной при поддержке гранта Российского научного фонда, было опубликовано в журнале Nano Letters.

В обычном состоянии световой поток движется прямолинейно. Однако существует возможность заставить волну вращаться вокруг своей оси – такой свет принято называть вихревым. Он обладает уникальной особенностью – орбитальным угловым моментом: фаза световой волны формирует спиральную структуру, обвивающую направление распространения.

В сфере фотоники свет с различными значениями орбитального углового момента может служить основой для передачи и обработки данных. В оптической связи это предоставляет дополнительный метод кодирования информации: несколько пучков света с различной «закруткой» могут передаваться одновременно, образуя независимые каналы связи – исследователи ИТМО изучили этот аспект в своей прошлой работеисследовательской работе. Поэтому для прогресса подобных систем требуются компактные источники, способные генерировать вихревое излучение с заданными параметрами: например, OAM-устройства, предназначенные для интеграции на фотонный чип.

В будущем подобные материалы могут найти применение в создании различных компонентов фотонных интегральных схем, таких как фотодетекторы и модуляторы. Они пригодятся в областях искусственного интеллекта, квантовых технологий и сенсорики – например, для генерации света, необходимого для выявления токсичных газов в атмосфере и анализа биомолекул.

Для регулирования характеристик вихревого света ученые применяют разнообразные методы: метаповерхности, наноантенны и специальные структуры в микролазерах. Сотрудники лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники ИТМО и Дальневосточного отделения РАН предложили более доступный подход: они разработали микролазер с новой конструкцией, используя галогенид перовскита MAPbBr₃. В отличие от существующих решений, этот метод не предполагает сложного многоэтапного изготовления с использованием литографии. Устройство представляет собой микродиск, состоящий из наноотверстий по краю, формирующих структуру, напоминающую шестеренку.

Перовскит демонстрирует способность к светогенерации при воздействии оптической накачки. В форме микродиска этот свет не покидает структуру, а циркулирует по круговой траектории вдоль ее края. Для формирования вихревого пучка и последующего рассеивания волн за его пределами необходимы неравномерные углубления, расположенные в определенной последовательности и на заданном расстоянии друг от друга. Свет, излучаемый из этих отверстий, объединяется в специфическую структуру, обеспечивающую появление вихревого пучка. Варьируя геометрию устройства, такую как радиус диска и расположение отверстий, исследователи получают возможность контролировать параметры света, испускаемого микролазером.

«Мы уже около девяти лет занимаемся разработкой перовскитных микро- и нанолазеров и видим значительный потенциал в создании интегральной фотоники на основе перовскитов – миниатюрных оптических устройств, которые можно объединять на одном чипе. Перовскиты характеризуются высоким коэффициентом преломления и хорошо подходят для создания нановолноводов, по которым распространяется свет», — отметил Сергей Макаров, пояснил один из авторов исследования, руководитель лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники и нового Института фотоники ИТМО.

Для создания данной структуры применялся фемтосекундный лазер, генерирующий ультракороткие импульсы. С использованием пространственного модулятора света – устройства, изменяющего амплитуду или фазу световых волн – ученые сформировали несколько лазерных пятен и разместили их по окружности. Затем этот рисунок последовательно поворачивался и переносился на поверхность перовскита, что привело к образованию регулярной системы наноотверстий с периодом в диапазоне от 270 до 350 нанометров. Диаметр самого компактного микролазера составил менее 3 микрон.

«Разработанный нами уникальный метод обработки структуры фемтосекундным лазером позволяет не только контролировать пучок внутри чипа, но и направлять его наружу. Эта особенность может оказаться полезной в системах, где свет должен покинуть фотонный чип, пройти через свободное пространство и достигнуть другого элемента или детектора», — рассказал Алексей Жижченко, пояснил первый автор статьи, ведущий научный сотрудник ДВО РАН.

Предлагаемый метод дает возможность формировать микролазеры с использованием самого лазера, что отличает его от ранее разработанных аналогов. Ключевым моментом при этом являлся выбор оптимальной геометрии: конструкция должна включать в себя крошечные отверстия и микрокольцо, размеры которого значительно превышают их.

В перспективе исследователи намерены более детально изучить способы контроля над лазерным излучением, генерируемым микролазерами, а также рассмотреть возможности их применения в сфере телекоммуникаций.

Работа была поддержана Российским научным фондом ( номер проекта 24-79-10271), Министерством науки и высшего образования Российской Федерации и федеральной программой «Приоритет-2030».

Пресс-служба Университета ИТМО предоставила информацию и фотографии.