42 Â

WIAT

N

AUKI

Maj 1998

Nanolasery

Lasery pó∏przewodnikowe bywajà dziÊ ju˝ nawet

mniejsze od d∏ugoÊci fali Êwiat∏a, które emitujà.

Wkroczenie do królestwa dominacji zjawisk kwantowych

pozwala konstruowaç coraz wydajniejsze i szybsze uk∏ady

Paul L. Gourley

MIKROLASERY DYSKOWE majà zaledwie kilka mikrometrów Êrednicy i tylko u∏amek mikro-
metra gruboÊci. Sà wykonane z materia∏u pó∏przewodnikowego i wsparte na coko∏ach. Âwiat∏o jest
generowane w obr´bie dysku i Êlizga si´ wzd∏u˝ jego obwodu, po czym emisja odbywa si´ pro-
mieniÊcie, tak jak to przedstawia uk∏ad czerwonych fal otrzymany za pomocà symulacji kompu-
terowej (wstawka z prawej). Zag∏´bienia w Êrodku dysków i mikroskopijne przypadkowo rozrzu-
cone czàstki – to skutek procesu chemicznego wytrawiania stosowanego w produkcji dysków.

Â

WIAT

N

AUKI

Maj 1998 43

P

ost´pujàca ju˝ od kilkudziesi´ciu
lat miniaturyzacja tranzystorów
krzemowych doprowadzi∏a do

produkcji mikroskopijnych, lecz pot´˝-
nych uk∏adów scalonych. Mniej znana
jest natomiast historia równoczeÊnie za-
chodzàcej ewolucji laserów pó∏przewod-
nikowych. Ostatnio naukowcom uda∏o
si´ doprowadziç niektóre wymiary tych
urzàdzeƒ do rz´du zaledwie nanome-
trów (miliardowych cz´Êci metra), czyli
do wartoÊci nawet mniejszych od d∏ugo-
Êci fali Êwiat∏a, które one wytwarzajà.
W takich rozmiarach – nie wi´kszych od
jednej setnej gruboÊci w∏osa ludzkiego –
ujawniajà si´ zadziwiajàce aspekty fizy-
ki kwantowej. To kwantowe zachowa-
nie pozwala odpowiednio zmieniaç pod-
stawowe cechy uk∏adów, by uzyskaç
jeszcze wi´kszà wydajnoÊç i szybkoÊç.

Nanolasery mogà znaleêç niezliczone

zastosowania, na przyk∏ad w kompute-
rach optycznych, w których w przeka-

zywaniu, przetwarzaniu i gromadzeniu
informacji pràd elektryczny zostanie za-
stàpiony Êwiat∏em. I pomimo ˝e kompu-
tery dzia∏ajàce na tej zasadzie zapewne
jeszcze d∏ugo nie ujrzà Êwiat∏a dzienne-
go, inne zastosowania, m.in. w ∏àczno-
Êci Êwiat∏owodowej, rysujà si´ ca∏kiem
realnie. Ja równie˝ wraz z innymi na-
ukowcami pracuj´ nad nowymi lasera-
mi do nowatorskich zastosowaƒ, takich
choçby jak wczesne wykrywanie chorób.

Skaczàce elektrony

Wprawdzie nanolasery przyspiesza-

jà rozwój wspó∏czesnej fizyki, to jednak
dzia∏ajà bardzo podobnie jak ich proto-
plasta – urzàdzenie wykonane ponad
35 lat temu z pr´ta ciemnego rubinu.
Krótko mówiàc, oÊrodek laserujàcy – na
przyk∏ad gazowà mieszanin´ helu i neo-
nu czy te˝ krystaliczny pó∏przewodnik
– umieszcza si´ mi´dzy dwoma zwier-

ciad∏ami i „pompuje” za pomocà Êwia-
t∏a lub pràdu elektrycznego. Proces ten
wzbudza w oÊrodku elektrony, wymu-
szajàc ich skoki z ni˝szych do wy˝szych
poziomów energetycznych. Kiedy elek-
trony powracajà do ni˝szych stanów na-
st´puje emisja Êwiat∏a, które odbija si´
mi´dzy zwierciad∏ami.

Poruszajàce si´ tam i z powrotem fo-

tony wyzwalajà inne „wzbudzone” elek-
trony – te, które znajdujà si´ w wy˝szych
stanach energetycznych – w wyniku cze-
go sà emitowane identyczne fotony. Po-
dobnie jest w przypadku ogni sztucz-
nych, które strzelajàc, rozrywajà kolejne
pakiety. T´ reakcj´ ∏aƒcuchowà nazywa
si´ emisjà wymuszonà. (Stàd nazwa „la-
ser”, która jest akronimem okreÊlenia „light
amplification by stimulated emission of
radiation”, czyli „wzmocnienie Êwiat∏a
przez wymuszonà emisj´ promieniowa-
nia”). W miar´ wzrostu liczby fotonów
formuje si´ wspólna fala, której nat´˝e-

DAVID SCHARF, SAM McCALL

(wstawka)

nie roÊnie, a˝ wreszcie przez jedno ze
zwierciade∏ wydostaje si´ na zewnàtrz
dobrze skolimowana wiàzka Êwiat∏a.

Jednak nie wszystkie fotony wcho-

dzà w sk∏ad tej fali. W rzeczywistoÊci
wiele z nich jest emitowanych sponta-
nicznie, niezale˝nie od reakcji ∏aƒcucho-
wej. W du˝ej przestrzeni – dla czàstek
subatomowych wymiary typowej wn´-
ki rezonansowej lasera zdajà si´ ogrom-
ne – fotony sà stosunkowo swobodne
i mogà robiç, co chcà. W rezultacie wie-
le z nich ma zupe∏nie innà d∏ugoÊç fali
i mo˝e si´ rozpraszaç we wszystkich
kierunkach, cz´sto padajàc na Êcianki
lasera i wytwarzajàc niepo˝àdane cie-
p∏o, zamiast odbijaç si´ mi´dzy zwier-
ciad∏ami zamykajàcymi wn´k´. W pew-
nych typach laserów u˝yteczny jest
tylko jeden foton na 10 tys. Z powodu
tak ogromnego marnotrawstwa nie-
zb´dne jest przekroczenie pewnego pro-
gu energii, aby liczba wzbudzanych
elektronów by∏a dostatecznie du˝a do
wywo∏ania i podtrzymania procesów
emisji wymuszonej, podobnie jak ko-
nieczne jest dostarczenie pewnej mini-
malnej iloÊci ciep∏a, aby zagotowaç gar-
nek wody. Dopóki ta przeszkoda nie
zostanie pokonana, dopóty w laserze
nie uda si´ osiàgnàç samopodtrzymu-
jàcej reakcji ∏aƒcuchowej decydujàcej
o jego dzia∏aniu. Dlatego lasery pó∏prze-
wodnikowe wymagajà stosunkowo du-
˝ych pràdów – w przeciwieƒstwie do
tranzystorów krzemowych, które sà
znacznie bardziej oszcz´dne. Gdyby jed-
nak lasery pó∏przewodnikowe przesta-
∏y trwoniç energi´, mog∏yby staç si´
konkurencyjne dla swoich elektronicz-
nych odpowiedników w bardzo wielu
zastosowaniach, w tym w komputerach.

Ostatnio wielu fizyków coraz bardziej

przychyla si´ do pomys∏u dzia∏ania
„bezprogowego”. W akcji bezprogowej,

zaproponowanej przez Yoshihisa Yama-
moto z NTT Basic Research Laborato-
ries i Stanford University oraz Takeshi
Kobayashi z Uniwersytetu w Osace,
wszystkie fotony, nawet te, które po-
chodzà z emisji spontanicznej, muszà
zostaç wykorzystane do laserowania.
Teoretycznie taki uk∏ad wymaga∏by sza-
lenie ma∏o energii. To tak, jakby istnia-
∏o specjalne naczynie, w którym da∏o-
by si´ zagotowaç wod´ na jednej
zapa∏ce. Naukowcy spierajà si´, jaka b´-
dzie najlepsza konstrukcja takiego lase-
ra. Zgodni sà jedynie co do wymiarów,
które muszà byç nadzwyczaj ma∏e –
porównywalne z d∏ugoÊcià fali emito-
wanego Êwiat∏a – aby w tych urzàdze-
niach mo˝na by∏o wykorzystaç zjawi-
ska kwantowe.

Nowa generacja

Podwaliny teorii akcji bezprogowej

stanowi praca wykonana pod koniec lat
siedemdziesiàtych. Wtedy to Kenichi Iga
i inni naukowcy z Politechniki w Tokio
zademonstrowali ca∏kowicie odmienny
rodzaj lasera pó∏przewodnikowego
[patrz: J. L. Jewell, J. P. Harbison i A.
Scherer, „Mikrolasery”; Âwiat Nauki, sty-
czeƒ 1992]. Mikrolasery, powszechnie
tak nazywane z powodu rozmiarów rz´-
du mikrometra, to bliscy krewniacy pó∏-
przewodnikowych laserów diodowych,
szeroko stosowanych w odtwarzaczach
p∏yt kompaktowych. (S∏owo „diodowy”
odnosi si´ do jednego kierunku przep∏y-
wu pràdu podczas pracy uk∏adu.)

Jednak mikrolasery zdecydowanie

ró˝nià si´ od swoich popularnych ku-
zynów. Te ostatnie majà kszta∏t prosto-
pad∏oÊciennych pude∏ek, które trzeba
od∏upywaç lub odpowiednio wycinaç
z du˝ej p∏ytki monokrystalicznej i Êwia-
t∏o wychodzi z nich pod∏u˝nie, ze Êci´-
tych koƒców. Mikrolasery sà mniejsze,
o kszta∏cie cylindrycznym, uformowa-
nym w procesie trawienia. Emitujà Êwia-
t∏o z wierzcho∏ka – prostopadle do okrà-
g∏ych warstw materia∏u pó∏przewod-
nikowego, z którego sà wykonane. Dla-
tego w∏aÊnie mikrolasery generujà wiàz-
ki Êwiat∏a o doskonalszym przekroju ko-
∏owym. Ponadto – podobnie jak
w przypadku produkcji uk∏adów scalo-
nych do komputerów – za jednym ra-
zem mo˝na zbudowaç ich wiele i wszyst-
kie jednoczeÊnie sprawdziç, poniewa˝
stanowià macierz umieszczonà na wspól-
nej p∏ytce. Natomiast diody laserowe
muszà byç w zasadzie testowane indywi-
dualnie, po podzieleniu na kostki.

Byç mo˝e jednak znacznie wa˝niej-

szy jest fakt, ˝e mikrolasery wykorzy-
stujà zachowanie kwantowe zarówno
elektronów, jak i fotonów. Urzàdzenia te

majà „studni´” – skrajnie cienkà, gru-
boÊci zaledwie kilku atomów, warstw´
pó∏przewodnika. W tak maleƒkiej prze-
strzeni elektrony mogà zajmowaç tylko
pewne dyskretne, czyli kwantowe po-
ziomy energetyczne, przedzielone ob-
szarem wzbronionym, który nazywa si´
przerwà energetycznà pó∏przewodni-
ka. Ob∏o˝ywszy studni´ kwantowà in-
nym materia∏em, naukowcy mogà pu-
∏apkowaç elektrony i zmuszaç je do
przeskoczenia przez przerw´ energe-
tycznà tak, by uk∏ad wysy∏a∏ odpowied-
ni rodzaj Êwiat∏a laserowego.

W celu poprawnego dzia∏ania mikro-

lasery muszà tak˝e wi´ziç fotony. Aby
mog∏y to robiç, in˝ynierowie wykorzy-
stujà zjawisko podobne do tego, dzi´ki
któremu przezroczysta szyba wykazu-
je niewielkà zdolnoÊç odbijajàcà, gdy˝
wspó∏czynnik za∏amania Êwiat∏a jest
wi´kszy dla szk∏a ni˝ dla powietrza, co
oznacza, ˝e w szkle fotony poruszajà si´
wolniej. Kiedy Êwiat∏o przechodzi przez
oÊrodki o ró˝nych wspó∏czynnikach za-
∏amania, cz´Êç fotonów ulega odbiciu na
ich granicy. Zwierciad∏a mikrolaserów
sk∏adajà si´ z u∏o˝onych na przemian
warstw pó∏przewodników (takich jak
arsenek galu i arsenek glinu) o ró˝nych
wspó∏czynnikach za∏amania. JeÊli war-
stwy majà gruboÊç równà dok∏adnie jed-
nej czwartej d∏ugoÊci fali, geometria
uk∏adu pozwala, by te s∏abe odbicia wza-
jemnie si´ wzmacnia∏y. Dla kombinacji
arsenku galu z arsenkiem aluminium
kilkanaÊcie par takich warstw odbija 99%
Êwiat∏a – a wi´c znacznie wi´cej ni˝ wy-
polerowane do po∏ysku metaliczne lu-
stra, jakie wiesza si´ w ∏azienkach.

Pierwsza partia mikrolaserów zosta∏a

ju˝ wykorzystana w telekomunikacji
Êwiat∏owodowej. Obecnie bada si´ inne
mo˝liwoÊci ich zastosowania [ramka na
stronie 46]. JednoczeÊnie trwajà prace nad
doskonaleniem struktury mikrolaserów.
W jednym z ostatnio skonstruowanych
uk∏adów niektóre warstwy selektywnie
utleniono, co pomog∏o zwi´kszyç liczb´
wzbudzonych elektronów a tym samym
fotonów, które odbijajàc si´ od zwiercia-
de∏, poruszajà si´ w obszarze studni.
W rezultacie wydajnoÊç robocza tego
uk∏adu przekracza 50%. Innymi s∏owy,
urzàdzenie jest w stanie przekszta∏ciç
ponad po∏ow´ dostarczonej energii na
promieniowanie laserowe. Taki uk∏ad
jest wi´c du˝o lepszy od laserowej dio-
dy pó∏przewodnikowej, której typowa
wydajnoÊç nie osiàga nawet 30%.

Mikrolasery doprowadzi∏y do nowej

generacji uk∏adów, które w jeszcze wi´k-
szym stopniu wykorzystujà elektrono-
we zjawiska kwantowe. Naukowcy bu-
dujà dziÊ takie struktury, jak druty
i kropki kwantowe, w których ruch elek-

44 Â

WIAT

N

AUKI

Maj 1998

MIKROLASER PIERÂCIENIOWY otoczo-
ny szklanà strukturà w kszta∏cie U. Âwiat∏o
jest wyprowadzane na zewnàtrz urzàdzenia
w postaci dwóch równoleg∏ych wiàzek roz-
chodzàcych si´ wzd∏u˝ ramion tej litery. La-
serem jest zasadniczo ultracienki drut pó∏-
przewodnikowy o prostokàtnym przekroju
400 x 200 nm zwini´ty w kszta∏ bardzo cien-
kiego obwarzanka.

SENG

-TIONG HO

Northwestern University

tronów jest ograniczony odpowiednio
do jednego wymiaru lub punktu. (Stud-
nie zamykajà je w dwóch wymiarach.)
Ponadto w ca∏kowicie nowym uk∏adzie,
który nazwano laserem kwantowo-ka-
skadowym, badacze z Bell Laboratories
zestawili wiele studni kwantowych ni-
czym szereg ma∏ych wodospadów.
W takim urzàdzeniu elektron, powra-
cajàc do ni˝szego stanu energetyczne-
go, nie przeskakuje od razu przez ca∏à
przerw´, lecz pokonuje jà w kolejnych
ma∏ych skokach, którym towarzyszy
emisja fotonów wzmacniajàca laserowà
reakcj´ ∏aƒcuchowà. Ekscytujàcà cechà
tego nowoczesnego lasera jest to, ˝e po-
przez odpowiednie dobranie szeroko-
Êci studni mo˝na uzyskaç po˝àdany ro-
dzaj emitowanego Êwiat∏a. Dzi´ki temu
przerwa energetyczna materia∏u – w∏a-
snoÊç wynikajàca z natury – nie narzu-
ca ju˝ rodzaju produkowanych fotonów.

Idàc niezale˝nym, ale zbli˝onym tro-

pem, naukowcy poszukiwali zachowa-
nia kwantowo-optycznego. Aby je uzy-
skaç, nale˝a∏o zmniejszyç niektóre
wymiary uk∏adów nawet poni˝ej d∏u-
goÊci fali emitowanego przez nie Êwia-
t∏a. W takim mikroÊwiecie fotony pozo-
stajà w pewnych stanach dyskretnych,
podobnie jak to si´ dzieje w przypadku
elektronów uwi´zionych w studniach
kwantowych.

Krótka struna gitary

Du˝e lasery emitujà ró˝ne rodzaje fo-

tonów, tak jak szarpni´cie d∏ugiej stru-
ny gitarowej generuje dêwi´k sk∏adajàcy

si´ z cz´stotliwoÊci podstawowej (odpo-
wiadajàcej wysokoÊci tonu) i jej wielu
wy˝szych harmonicznych. W miar´ skra-
cania struny wysokoÊç tonu gitary staje
si´ coraz wy˝sza i liczba cz´stotliwoÊci
harmonicznych maleje a˝ do osiàgni´cia
granicy wynikajàcej z gruboÊci struny
i materia∏u, z którego jest ona zrobiona.

W podobny sposób fizycy skracali la-

sery, aby ograniczyç liczb´ stanów, czy-
li modów, w których mogà znajdowaç
si´ fotony. Granicà tej miniaturyzacji jest
po∏owa d∏ugoÊci fali emitowanego Êwia-
t∏a, poniewa˝ odpowiada jej najmniejsza
d∏ugoÊç wn´ki, w której Êwiat∏o mo˝e si´
jeszcze odbijaç mi´dzy zwierciad∏ami.
Przy tej minimalnej granicznej wartoÊci
fotony znajdowa∏yby si´ tylko w jednym
mo˝liwym stanie, odpowiadajàcym pod-
stawowemu modowi optycznemu uk∏a-
du. Z powodu tej przymusowej sytuacji
ka˝dy foton musia∏by uczestniczyç
w tworzeniu wspólnej fali (modu pod-
stawowego) i przyczyni∏by si´ do jej
wzmocnienia, dzi´ki czemu wiàzka Êwia-
t∏a ostatecznie opuÊci∏aby uk∏ad przez
jedno ze zwierciade∏. Innymi s∏owy, nie
zmarnowa∏by si´ ˝aden foton: taki laser
nie mia∏by progu.

Ponad 10 lat temu wspólnie z kolega-

mi z Sandia National Laboratories pro-
wadzi∏em eksperymenty, w których ob-
serwowa∏em takie stany kwantowe
fotonów. Przybli˝ajàc do siebie zwiercia-
d∏a lasera, udawa∏o nam si´ zaw´ziç sze-
rokie widmo emitowanych fotonów do
zaledwie kilku modów optycznych. Wy-
kazaliÊmy, ˝e mody te wyst´pujà dla d∏u-
goÊci fal, których ca∏kowita wielokrot-

noÊç jest równa podwojonej odleg∏oÊci
mi´dzy zwierciad∏ami. Dok∏adnie tak sa-
mo jak w przypadku gitary, której stru-
na mo˝e drgaç z cz´stotliwoÊcià odpo-
wiadajàcà czterem lub pi´ciu d∏ugoÊciom
fal, które mieszczà si´ mi´dzy jej umo-
cowanymi koƒcami, a nie na przyk∏ad
czterem i jednej szóstej. Ponadto stwier-
dziliÊmy, ˝e moglibyÊmy wzmocniç te
zjawiska, zbli˝ajàc do siebie zwierciad∏a
a˝ do granicznej odleg∏oÊci równej po∏o-
wie d∏ugoÊci fali (kilkaset nanometrów).
Mimo to urzàdzenia te nadal nie dzia∏a-
∏y bezprogowo. Nawet najnowsze mi-
krolasery, które mo˝na ju˝ Êmia∏o nazy-
waç nanolaserami, majà oko∏o 100
stanów fotonowych. Jest to wynik znacz-
nie lepszy ni˝ dziesiàtki tysi´cy opcji do-
st´pnych fotonom w typowych laserach
diodowych, lecz nadal niewystarczajà-
cy do bezprogowej nirwany.

W celu osiàgni´cia stanu idealnego

naukowcy zacz´li ostatnio badaç inne
geometrie uk∏adów o wymiarach nano-
metrowych. Jednà z takich konstrukcji
jest laser w kszta∏cie mikrodysku, opra-
cowany przez Richarta E. Slushera i je-
go kolegów w Bell Laboratories. Za po-
mocà najnowoczeÊniejszych procesów
wytrawiania, podobnych do tych, które
wykorzystuje si´ w produkcji kompu-
terowych uk∏adów scalonych, naukow-
com z Bell Laboratories uda∏o si´ wy-
cyzelowaç ultracienki krà˝ek o Êrednicy
paru mikrometrów i jedynie 100 nm
gruboÊci. Pó∏przewodnikowy dysk jest
otoczony powietrzem i podparty ma-
leƒkim coko∏em, co ogólnie upodabnia
t´ struktur´ do mikroskopijnego sto∏u.

Â

WIAT

N

AUKI

Maj 1998 45

G

dy poszczególne kolumny mikroskopijnych s∏upków arsenku
galu zostanà uporzàdkowane w sieç heksagonalnà o odpo-

wiednio dobranej sta∏ej sieciowej, zablokujà Êwiat∏o podczerwone
(a). PeriodycznoÊç struktury w po∏àczeniu z ró˝nicà pr´dkoÊci
rozchodzenia si´ Êwiat∏a w s∏upkach pó∏przewodnikowych i w ota-
czajàcym je powietrzu powoduje wielokrotne za∏amania i odbicia,
które skutecznie ograniczajà Êwiat∏o w danym zakresie d∏ugoÊci
fal, jak to pokazano na mikrografie obrazujàcym rozpraszanie
Êwiat∏a (b) w podobnej sieci (wstawka w b). Pomys∏ ten spraw-
dza si´ tak˝e w jednym wymiarze.

Âwiadczy o tym wzd∏u˝nie dziurkowany most pó∏przewodniko-

wy (c). Âwiat∏o biegnàce przez most blokuje jednowymiarowa
„macierz” otworków, które dzia∏ajà podobnie do s∏upków w sieci
heksagonalnej. Wprowadzajàc w sposób zamierzony „defekt” – nie-
co wi´kszy odst´p mi´dzy dwoma otworkami w Êrodku mostu –
naukowcy mogà zmieniaç rozk∏ad odbiç i za∏amaƒ Êwiat∏a w ob-
r´bie struktury. NieregularnoÊç sta∏ej sieciowej opisuje maleƒkie
„pude∏ko” o obj´toÊci zaledwie jednej dwudziestej mikrometra sze-
Êciennego, które w przysz∏oÊci byç mo˝e zostanie wykorzystane
jako laser.

Sieci fotoniczne blokujàce Êwiat∏o

a

b

c

SANDIA NATIONAL LABORATORIES

SANDIA NATIONAL LABORATORIES

K.

-Y. LIM, G.

PETRICH i

L. KO¸ODZIEJSKI, MIT

MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Poniewa˝ ró˝nica mi´dzy wspó∏czyn-

nikami za∏amania pó∏przewodnika i po-
wietrza jest du˝a, Êwiat∏o powsta∏e we-
wnàtrz dysku odbija si´ w obr´bie
uk∏adu, Êlizgajàc si´ wzd∏u˝ jego obwo-
du. Mamy tu do czynienia ze zjawi-
skiem podobnym do tego, które dla fal
dêwi´kowych wyst´puje w przypadku
sklepienia akustycznego i które po raz
pierwszy zosta∏o opisane przez lorda
Rayleigha ponad sto lat temu. Wielki fi-
zyk wyjaÊni∏, dlaczego stojàc w jednym
koƒcu ogromnej Katedry Êw. Paw∏a
w Londynie, mo˝emy szeptem rozma-
wiaç z osobà znajdujàcà si´ w jej dru-
gim koƒcu. Otó˝ s∏yszalne dêwi´ki od-
bijajà si´ od Êcian w taki sposób, ˝e po
dotarciu do przeciwnych kraƒców bu-
dowli wzajemnie si´ wzmacniajà.

Maleƒkie rozmiary mikrodysku spra-

wiajà, ˝e fotony mogà znajdowaç si´
w ograniczonej liczbie stanów, w tym
równie˝ w po˝àdanym optycznym mo-
dzie podstawowym. Natomiast zjawisko
sklepienia akustycznego utrzymuje je
w obr´bie uk∏adu a˝ do chwili, kiedy ge-
nerowana fala Êwietlna osiàgnie wystar-
czajàcà energi´, aby b∏ysnàç na zewnàtrz
struktury. W rezultacie uzyskuje si´ ni-

ski próg i nadzwyczaj wydajne dzia∏anie.
RzeczywiÊcie lasery w kszta∏cie mikro-
dysków pracujà przy nat´˝eniu pràdu
wynoszàcym zaledwie oko∏o 100 µA.

Pewna odmiana mikrodysku to laser

w kszta∏cie mikropierÊcienia, który w za-
sadzie jest drutem fotonicznym zwini´-
tym w ultracienki obwarzanek. W celu
wytrawienia takiej struktury pó∏przewod-
nikowej o Êrednicy 4.5 µm i przekroju
prostokàtnym o wymiarach zaledwie
400 x 200 nm, Seng-Tiong Ho i jego ko-
ledzy z Northwestern University zasto-
sowali mikrolitografi´. Aby poprawiç ja-
koÊç emitowanego Êwiat∏a, otoczyli mi-
kropierÊcieƒ obudowà ze szk∏a w kszta∏-
cie U i wyprowadzili fotony na zewnàtrz
w postaci dwóch równoleg∏ych wiàzek
rozchodzàcych si´ wzd∏u˝ ramion litery.

Te nowoczesne urzàdzenia pozwoli-

∏y wykazaç, w jaki sposób rozmiary
i kszta∏t nanolasera mogà wp∏ywaç na
jego dzia∏anie, sterujàc kwantowym za-
chowaniem emitowanych fotonów.
Ostatnio naukowcy jeszcze bardziej udo-
skonalili technologi´, zmniejszajàc wy-
miary drutów fotonicznych do obj´toÊci
równej zaledwie jednej piàtej mikrome-
tra szeÊciennego. Dla tak skrajnie ma∏ych

wymiarów uk∏ad ma mniej ni˝ 10 sta-
nów fotonowych, co jest bliskie warun-
kom dzia∏ania bezprogowego.

Chocia˝ te nowe nanolasery sprowa-

dzi∏y rodzaje fotonów do kwantowome-
chanicznych poziomów, to nie zmniej-
szy∏y do takich granic ich liczby. Gdy
fotonów jest dostatecznie ma∏o, zacho-
wanie Êwiat∏a da si´ w zasadzie dosto-
sowaç do celów praktycznych. W nie-
dawno opublikowanej prze∏omowej
pracy naukowcy z Massachusetts Insti-
tute of Technology wykazali, ˝e do lase-
ra mo˝na wprowadzaç stopniowo po
jednym wzbudzonym atomie baru tak,
by ka˝dy emitowa∏ u˝yteczny foton. To
niewiarygodnie wydajne urzàdzenie
mo˝e pracowaç zaledwie z 11 fotonami
odbijajàcymi si´ mi´dzy zwierciad∏ami.
Teraz fizycy próbujà zastosowaç t´ no-
woczesnà optyk´ kwantowà w nanola-
serach pó∏przewodnikowych.

Uwi´zienie Êwiat∏a w strukturze

Zdecydowanie odmiennym podej-

Êciem w konstrukcji nanolaserów jest
budowa uk∏adu z bardzo cienkich, u∏o-
˝onych na przemian warstw ró˝nych

46 Â

WIAT

N

AUKI

Maj 1998

W

miar´ jak lasery pó∏przewodnikowe
stajà si´ coraz mniejsze, szybsze

i bardziej wydajne, wzrasta liczba ich no-
wych zastosowaƒ. Jednym z nich jest dia-
gnostyka stanów chorobowych. Wraz z ko-
legami z Sandia National Laboratories
skonstruowaliÊmy „laser z biown´kà” (a),
który mo˝e zostaç na przyk∏ad u˝yty do od-
ró˝niania komórek rakowych od zdrowych.

Urzàdzenie to w gruncie rzeczy jest mi-

krolaserem – mikroskopijnym kawa∏kiem ar-
senku galu w∏o˝onym mi´dzy dwa zwiercia-
d∏a. Âwiat∏o podczerwone, które ten pó∏-
przewodnikowy zwiàzek chemiczny emituje,
odbija si´ tam i z powrotem mi´dzy zwier-
ciad∏ami a˝ do momentu, kiedy wzmocni si´
na tyle, by b∏ysnàç na zewnàtrz uk∏adu w po-
staci uformowanej wiàzki laserowej. W celu
zbudowania lasera z biown´kà mi´dzy ar-
senkiem galu i jednym ze zwierciade∏ umie-
ÊciliÊmy cienkà warstw´ ludzkiej tkanki. W ten
sposób materia∏ organiczny staje si´ elementem urzàdzenia i dzia-
∏a jak wewn´trzna soczewka skupiajàca Êwiat∏o; rozmiar, kszta∏t
i sk∏ad komórek zmieniajà wiàzk´ laserowà, wprowadzajàc do niej
wy˝sze harmoniczne, co powoduje, ˝e obserwowane widmo jest nie-
powtarzalne. Lekarze mogà wykorzystaç t´ informacj´ do odró˝-
nienia tkanki chorej od zdrowej, poniewa˝ ka˝da z nich daje inne wid-
mo Êwiat∏a (b). Przypomina to sytuacj´, gdy t´ samà nut´ gramy na
pikolu i na flecie. Te dwa podobne – chocia˝ nie takie same – in-
strumenty mo˝na odró˝niç dzi´ki odmiennym widmom dêwi´ków
harmonicznych przez nie wydawanych.

Ostatnio wraz z Anthonym McDonaldem i Guildem Copelan-

dem z Sandia National Laboratories oraz z moim bratem Mar-

kiem Gourleyem, immunologiem z Natio-
nal Institutes of Health, pracowaliÊmy nad
opatentowaniem przenoÊnej, podr´cznej
wersji lasera z biown´kà, którego lekarze
mogliby u˝ywaç do analizy krwi bez ko-
niecznoÊci wysy∏ania próbki do laborato-
rium. W urzàdzeniu tym krew przep∏ywa
przez mikroskopijne kanaliki, ka˝dy o Êred-
nicy jednej dziesiàtej gruboÊci ludzkiego

w∏osa, które zosta∏y wytrawione w jednym
ze zwierciade∏. Dzi´ki analizie wychodzàcej
wiàzki laserowej, mo˝na szybko wykryç
obecnoÊç czerwonych krwinek w kszta∏cie
pó∏ksi´˝yca, które wskazujà na anemi´ sier-
powatà. Lekarze mogliby tak˝e u˝yç tego
lasera do badania nanometrowej wielkoÊci
zmian wyst´pujàcych w strukturze komór-
kowej krwi, wywo∏anych wirusem AIDS.

W innych eksperymentach lasery z biow-

n´kà pozwoli∏y odró˝niç komórki prawid∏o-
we od komórek rakowych szyjki macicy

równie precyzyjnie jak badanie rozmazu metodà Papanicolaou.
Dalszy post´p mo˝e nawet doprowadziç do konstrukcji urzàdze-
nia analizujàcego DNA.

Ta nowa technika ma wiele zalet w porównaniu z konwencjonal-

nymi metodami laboratoryjnymi analizy tkanek pod mikroskopem,
które wymagajà chemicznego barwienia w celu uwidocznienia
struktury komórkowej. Ponadto dotychczas stosowane metody
w znacznym stopniu opierajà si´ na jakoÊciowej ocenie subiektyw-
nej, a zatem ∏atwo pope∏niç b∏àd. Natomiast lasery z biown´kà
dajà proste, jednoznaczne widma, które mo˝na zanalizowaç pra-
wie natychmiast w podr´cznym urzàdzeniu zarówno w klinice,
przychodni i laboratorium naukowym, jak i w szczerym polu.

Lasery z biown´kà w diagnostyce medycznej

PRAWID¸OWE
KRWINKI CZERWONE

SIERPOWATE
KRWINKI CZERWONE

D¸UGOÂå FALI

NAT¢˚ENIE

a

b

SANDIA NATIONAL LABORATORIES

JOHNNY JOHNSON

materia∏ów. W prawid∏owo zaprojekto-
wanym uk∏adzie okresowa modulacja
pozwoli uwi´ziç Êwiat∏o wskutek po-
wtarzajàcych si´ odbiç wewnàtrz uk∏a-
du. Poczàtkowo t´ ide´ wykorzystywali
naukowcy projektujàcy wielowarstwo-
we zwierciad∏a w mikrolaserach, w któ-
rych Êwiat∏o rozchodzi si´ w jednym
wymiarze. Eli Yablonovitch, obecnie
pracujàcy w University of California
w Los Angeles, i naukowcy z Wydzia∏u
Energetycznego Ames Laboratory w Io-
wa State University, rozszerzyli t´ za-
sad´ do dwóch i trzech wymiarów, pro-
ponujàc nowe uk∏ady, które nazwano
sieciami fotonicznymi.

Pomys∏ ten oparty jest na zjawisku,

które na poczàtku naszego stulecia zaob-
serwowali ojciec i syn – William Henry
Bragg i William Lawrence Bragg. Ci
dwaj angielscy fizycy, którzy w 1915 ro-
ku wspólnie otrzymali Nagrod´ Nobla,
badali rozpraszanie promieni rentge-
nowskich na krysztale w zale˝noÊci od
charakteru periodycznej struktury jego
sieci. Zgodnie z prawem Bragga, które
sformu∏owali, nat´˝enie odbitego pro-
mieniowania zale˝y od trzech czynni-
ków: d∏ugoÊci fali promieni X, odleg∏o-
Êci mi´dzy atomami w krysztale i kàta,
pod jakim promienie te padajà na sieç.

Stosujàc powy˝szà zasad´ do cz´sto-

tliwoÊci optycznych, Thomas F. Krauss
i Richard M. De La Rue, naukowcy
z University of Glasgow wykazali, ˝e
sieç dwóch ró˝nych u∏o˝onych na prze-
mian materia∏ów b´dzie w podobny
sposób rozpraszaç Êwiat∏o. Co wi´cej,
u˝yli materia∏ów o znacznie ró˝niàcych
si´ wspó∏czynnikach za∏amania i odpo-
wiednio dobrali okresowo zmieniajàcà
si´ odleg∏oÊç mi´dzy tymi substancja-
mi. W ten sposób dowiedli, ˝e mogà we-
d∏ug ˝yczenia wybraç i rozszerzyç za-
kres d∏ugoÊci fal, które ten uk∏ad odbija,
tworzàc w rezultacie „fotonicznà prze-
rw´ energetycznà”, podobnà do wyst´-
pujàcego w pó∏przewodnikach obsza-
ru wzbronionego dla elektronów.

W Sandia National Laboratories Joel

Wendt, Allen Vawter i ja zrobiliÊmy ta-
ki uk∏ad, budujàc heksagonalnà sieç
s∏upków z arsenku galu; dalej naszà

konstrukcj´ udoskonala∏ John D. Joan-
nopoulos i inni badacze z MIT. Uwzgl´-
dniajàc ró˝ne wspó∏czynniki za∏amania
arsenku galu i otaczajàcego powietrza,
wyznaczyliÊmy dok∏adne odleg∏oÊci
mi´dzy s∏upkami, pozwalajàce na uwi´-
zienie Êwiat∏a podczerwonego.

Chocia˝ wykazaliÊmy doÊwiadczalnie

mo˝liwoÊç pu∏apkowania Êwiat∏a w tej
dwuwymiarowej macierzy, nadal nie po-
trafimy przekszta∏ciç naszego uk∏adu
w laser. Jednà z mo˝liwych dróg prowa-
dzàcych do celu by∏oby pompowanie
jednego ze s∏upków po to, by emitowa∏
Êwiat∏o, które nast´pnie by∏oby wielo-
krotnie odbijane przez inne s∏upki ma-
cierzy (i skutecznie uwi´zione). W grun-
cie rzeczy sieç dzia∏a∏aby jak równoleg∏e
zwierciad∏a w klasycznym laserze.

U˝ywajàc odwrotnej konstrukcji,

w której „s∏upki” sà powietrzem, a ma-
teria∏ otaczajàcy pó∏przewodnikiem,
naukowcy z MIT wyprodukowali po-
d∏u˝nie wytrawiony maleƒki most
krzemowy (szerokoÊci 470 i gruboÊci
200 nm) z pojedynczym rz´dem mikro-
skopijnych otworków. Z powodu ró˝-
nicy wspó∏czynników za∏amania mi´-
dzy pó∏przewodnikiem i otaczajàcym
powietrzem Êwiat∏o mo˝e si´ poruszaç
jedynie wzd∏u˝ tego uk∏adu.

Naukowcy z MIT, w tym Joannopoulos,

Pierre R. Villeneuve i Shanhui Fan po-
s∏u˝yli si´ symulacjà komputerowà do
wyznaczenia dok∏adnej, okresowo po-
wtarzajàcej si´ odleg∏oÊci mi´dzy otwor-
kami, by okreÊliç jednowymiarowà
macierz zdolnà do uwi´zienia Êwiat∏a
podczerwonego. Ponadto, zwi´kszajàc
nieco odleg∏oÊci mi´dzy dwoma sàsied-
nimi otworkami znajdujàcymi si´ blisko
Êrodka paska, badacze ci wprowadzili
do sieci „defekt”. Ta nieregularnoÊç wy-
twarza podstawowy mod optyczny we-
wnàtrz bardzo ma∏ej obj´toÊci, ograni-
czonej do ró˝niàcego si´ od innych
odst´pu. Byç mo˝e któregoÊ dnia owo
„pude∏ko” zostanie przekszta∏cone we
wn´k´ laserowà, w której rol´ zwiercia-
de∏ przejmà sàsiadujàce ze sobà otworki.
Pude∏ko ma zdumiewajàco ma∏à obj´-
toÊç, równà zaledwie jednej dwudziestej
mikrometra szeÊciennego. Grupa z MIT

w mi´dzyczasie ulepszy∏a ten uk∏ad, bu-
dujàc go na szklanym pod∏o˝u, i porów-
na∏a wyniki symulacji komputerowej
z danymi eksperymentalnymi.

W innej pracy badano sieci fotonicz-

ne, które zmieniajà si´ okresowo w trzech
wymiarach. Jednak te struktury trudno
konstruowaç, poniewa˝ metody mikro-
fabrykacji, takie jak litografia za pomo-
cà wiàzki elektronowej, bardziej nadajà
si´ do wytwarzania dwuwymiarowych
uk∏adów scalonych. Trójwymiarowe sie-
ci fotoniczne teoretycznie powinny ogra-
niczaç rozchodzenie si´ Êwiat∏a we
wszystkich kierunkach, co by∏oby ideal-
ne dla bezprogowej akcji laserowej.

Co z komputerami optycznymi?

Oprócz wi´kszej wydajnoÊci bezpro-

gowe dzia∏anie prowadzi∏oby do po-
wstania ultraszybkich uk∏adów, które
mo˝na by w∏àczaç i wy∏àczaç dos∏ow-
nie natychmiast, poniewa˝ do pojawie-
nia si´ laserowania potrzebujà bardzo
ma∏o energii. Innymi s∏owy, gdyby do
zagotowania garnka wody wystarczy-
∏a jedna zapa∏ka, czeka∏oby si´ bardzo
krótko. Ju˝ obecnie niektóre lasery sà
w∏àczane i wy∏àczane szybciej ni˝ 20 mld
razy na sekund´.

W ∏àcznoÊci Êwiat∏owodowej takie osza-

∏amiajàce szybkoÊci sà czymÊ naturalnym.
Inne zastosowania zacznà si´ pojawiaç,
w miar´ jak urzàdzenia te b´dà si´ stawa-
∏y coraz szybsze, mniejsze i energowydaj-
niejsze. Lasery bezprogowe, dziÊ ju˝ ca∏-
kiem realne z racji ostatnio osiàgni´tego
post´pu w produkcji uk∏adów o rozmia-
rach nanometrów, byç mo˝e sprawdzà si´
jako elementy sk∏adowe stosowane
w przekazywaniu, przechowywaniu
i przetwarzaniu informacji, czyli w roli
podstawowych cegie∏ek w budowie kom-
putera optycznego. Jak na ironi´, post´p
w miniaturyzacji tranzystorów krzemo-
wych doprowadzi∏ do znacznego udosko-
nalenia laserów pó∏przewodnikowych,
które pewnego dnia pozwolà zwi´kszyç
moc komputerów i zastàpià obwody elek-
troniczne obwodami optycznymi.

T∏umaczy∏a

Aleksandra Kopystyƒska

Â

WIAT

N

AUKI

Maj 1998 47

Informacje o autorze

PAUL L. GOURLEY jest obecnie pracownikiem Sandia National

Laboratories, gdzie odegra∏ istotnà rol´ w podstawowych bada-

niach dotyczàcych pó∏przewodnikowych laserów o pionowej wn´-

ce, które powierzchniowo emitujà Êwiat∏o. Licencjat z fizyki uzyska∏

w University of North Dakota, a magisterium i doktorat w Uni-

versity of Illinois. Jest cz∏onkiem American Physicial Society i Opti-

cal Society of America. Za pomys∏ lasera z biown´kà Gourley otrzy-

ma∏ nagrod´ czasopisma R&D, natomiast za prac´ w dziedzinie

pó∏przewodnikowej fotoniki – nagrod´ Departamentu Energii USA.

Zainteresowania naukowe Gourleya dotyczà m.in. badania urzà-

dzeƒ pó∏przewodnikowych takich jak nanolasery oraz ich rozlicz-

nych zastosowaƒ, w szczególnoÊci w biomedycynie.

Literatura uzupe∏niajàca

PHYSICS AND DEVICE APPLICATIONS OF OPTICAL MICROCAVITIES

. H. Yokoyama,

Science, vol. 256, ss. 66-70, 3 IV 1992.

OPTICS OF NANOSTRUCTURES

. Wyd. specjalne Physics Today, vol. 46, nr 6,

VI/1993.

SURFACE-EMITTING LASERS

. Paul L. Gourley, Kevin Lear i Richard Schnei-

der, Jr., IEEE Spectrum, vol. 31, nr 8, ss. 31-37, VIII/1994.

MICROSTRUCTURED SEMICONDUCTOR LASERS FOR HIGH-SPEED INFROMATION

PROCESSING

. Paul L.Gourley, Nature, vol. 371, ss. 571-577, 13 X 1994.

PHOTONIC CRYSTALS: MOLDING THE FLOW OF LIGHT

. John D. Joannopoulos,

Robert D. Meade i Joshua N. Winn; Princeton University Press, 1995.

MICROCAVITIES AND PHOTONIC BANDGAPS: PHYSICS AND APPLICATIONS

. Red.

John Rarity i Claude Weisbuch; Kluwer Academic Publishers, 1996.