Современные процессоры и микросхемы становятся всё меньше и мощнее, но чем плотнее компоненты, тем сильнее они греются. Перегрев ведёт к искажению сигналов и росту энергопотребления. Одно из решений — заменить электрические соединения внутри микросхем на оптические, то есть использовать свет вместо проводов. Учёные НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург изучили, как ведут себя микролазеры из нитридов галлия и индия при нагреве. Результат: они сохраняют работоспособность до 100 градусов Цельсия, а длина волны сдвигается всего на два нанометра. Это значит, что в перспективе такие лазеры можно будет использовать без дополнительного охлаждения в суперкомпьютерах, электромобилях и медицинских приборах.
Электроника развивается по законам, которые работают против неё самой. Чем мощнее и компактнее становится устройство, тем плотнее на плате располагаются компоненты. И тем сильнее они греются. Нагрев — главный враг современных микросхем: он увеличивает энергопотребление, искажает сигналы и сокращает срок службы. Учёные ищут способ обойти это ограничение — заменить электрические соединения на оптические. Вместо проводов — свет.
Одно из перспективных решений — микродисковые лазеры на основе нитридов III группы: соединений галлия и азота (GaN) и сплава с индием (InGaN). Они стабильны, могут работать в ультрафиолете и совместимы с кремниевыми технологиями. Но до сих пор мало кто изучал, как они себя ведут при высоких температурах — а в реальных устройствах это неизбежно.
Исследователи Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург провели серию экспериментов. Они взяли микродиск диаметром пять микрометров (это примерно в двадцать раз тоньше человеческого волоса) и нагревали его от 25 до 100 градусов. Лазер запускали оптической накачкой — внешним источником света.
В результате оказалось, что при нагреве до 100 °C свойства лазера почти не меняются. Пик генерации сдвинулся всего с 413 до 415 нанометров, а пороговая мощность осталась в пределах 245–255 мкВт. Это говорит о высокой температурной стабильности устройства.
Стажёр-исследователь Дмитрий Масютин пояснил: «Температурная стабильность — критически важный для полупроводниковых лазеров параметр. Нагревание может приводить к увеличению порога и сильному изменению длины волны генерации. Устойчивость этих параметров в диапазоне от 25 до 100 градусов позволит без опаски использовать лазеры в повседневной жизни без дополнительного охлаждения».
Исследование открывает путь к массовому применению InGaN/GaN микролазеров в оптоэлектронике. В перспективе такие фотонные схемы могут сделать более эффективными суперкомпьютеры, электромобили и медицинские приборы, снизив затраты на производство и повысив надёжность.
