研究人员制造出了更小的纳米激光器

来自莫斯科物理技术学院和伦敦国王学院的研究人员扫清了为集成电路制造电驱动纳米激光器的障碍。在最近发表于Nanophotonics杂志上的论文中报道了这种技术，使得相干光源的设计规模不仅比人类头发的厚度小几百倍，甚至比激光发射的光波长还要小。这为在不久的将来出现的多核微处理器中超快光学数据传输奠定了基础。

20世纪80年代，光信号彻底改变了信息技术，当时光纤开始取代铜线，使数据传输速度加快了几个数量级。由于光通信依赖于频率为几百太赫兹的光电磁波，它允许每秒通过一根光纤传输数兆字节的数据，其性能大大超过了电互连。

光纤是现代互联网的基础，但光可以为我们做更多的事情。它甚至可以在超级计算机、工作站、智能手机和其他设备的微处理器内部付诸实施。这需要使用光通信线路来互连纯电子元件，例如处理器核心。因此，大量的信息几乎可以瞬间通过芯片传输。摆脱数据传输的限制，可以通过堆叠更多的处理器核来直接提高微处理器的性能，从而创造出一个1000核处理器，其速度几乎是10核处理器的100倍，而这正是半导体行业巨头IBM、HP、Intel所追求的，甲骨文等。这反过来将使在单个芯片上设计真正的超级计算机成为可能。

这其中的挑战是在纳米尺度上连接光学和电子学。为了实现这一点，光学元件的尺寸不能超过几百纳米，这大约是人类头发宽度的100倍。这种尺寸限制也适用于片上激光器，它是将电信号信息转换成携带数据位的光脉冲所必需的。

然而，光是一种波长达数百纳米的电磁辐射。量子不确定原理说，光粒子，或者光子，有一个最小的体积可以定域。它不能小于波长的立方。粗略地说，如果一个激光器太小，光子将不适合它。也就是说，有很多方法可以绕过光学器件尺寸的限制，即衍射极限。解决办法是用表面等离子体激元（spp）代替光子。

表面等离子体激元是限制在金属表面并与周围电磁场相互作用的电子的集体振荡。只有少数被称为等离子金属的金属能很好地与表面等离子体激元一起工作：金、银、铜和铝。与光子一样，表面等离子体激元也是电磁波，但在相同的频率下，它们的局部化程度更好，也就是说，它们占用的空间更小。用表面等离子体激元代替光子可以“压缩”光，从而克服衍射极限。

利用目前的技术，设计真正的纳米级等离子激光器已经成为可能。然而，这些奈米雷射是光抽运的，也就是说，它们必须用外部的大功率大功率雷射照射。这对科学实验来说可能很方便，但在实验室之外就不方便了。一个用于大规模生产和实际应用的电子芯片必须包含数百个纳米激光器，并在普通印刷电路板上运行。一个实用的激光器需要电泵，或者换句话说，由普通电池或直流电源供电。到目前为止，这类激光器只能作为在低温下工作的设备使用，这并不适合大多数实际应用，因为保持液氮冷却通常是不可能的。

莫斯科物理技术研究所（MIPT）和伦敦国王学院的物理学家提出了一种替代传统电泵工作方式的方案。通常需要金属纳米激光器或类似的金属欧姆激光器。此外，这种接触必须是谐振腔的一部分——产生激光辐射的体积。问题是钛和铬会强烈吸收光，这损害了谐振器的性能。这种激光器受高泵浦电流的影响，容易过热。这就是为什么需要低温冷却，以及由此带来的种种不便。

研究人员提出了一种新的电泵抽运方案，它基于一种具有隧穿肖特基接触的双异质结构。它使欧姆接触与它的强吸收金属冗余。抽运现在发生在等离子金属和半导体之间的界面上，表面等离子体激元沿着这个界面传播。“我们新颖的抽运方法使电驱动激光器达到纳米级成为可能，同时保持其在室温下的工作能力。同时，与其他电泵纳米激光器不同的是，辐射被有效地引导到光子或等离子波导中，使纳米激光器适合集成电路，” 莫斯科物理技术研究所光子学和二维材料中心的Dmitry Fedyanin博士评论道。

研究人员提出的等离子纳米激光器在三维空间中的每一个都比它发射的光的波长小。此外，表面等离子体激元在纳米激光器中所占的体积比光波长的立方小30倍。据研究人员称，他们的室温等离子纳米激光器可以很容易地制成更小的尺寸，使其特性更加引人注目，但这将以无法有效地将辐射提取到总线波导中为代价。因此，虽然进一步的小型化将使该器件不适用于片上集成电路，但对于化学和生物传感器以及近场光学光谱学或光遗传学来说，它仍然是方便的。

尽管纳米激光器的尺寸是纳米级的，但预计的输出功率将超过100微瓦，这与更大的光子激光器相当。如此高的输出功率允许每台纳米激光器每秒传输数百吉比特，从而消除了高性能微芯片的最大障碍之一。这其中包括各种高端计算设备：超级计算机处理器、图形处理器，甚至可能还有一些将来要发明的新鲜事物。

原文链接：https://phys.org/news/2020-09-physicists-electrical-nanolasers-smaller.html