文/John Wallace

圖1：電泵浦環(huán)形表面等離激元納米激光雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，由AlInAs上的InAsP/InGaAs/AlInAs疊層組成，被二氧化硅和金覆蓋層包圍。（圖片來源：Dmitry Fedyanin）

在光子集成電路的所有組件中，激光光源最主要的問題。由于硅本身不容易發(fā)光，因此通常必須在硅上制造更適合作為發(fā)光體的其他半導(dǎo)體，以形成混雜結(jié)構(gòu)。莫斯科物理技術(shù)學(xué)院（MIPT）和倫敦國(guó)王學(xué)院的研究人員，已創(chuàng)造了此類新項(xiàng)目，他們已清除了曾阻礙創(chuàng)建集成電路用的電驅(qū)動(dòng)納米激光器的障礙。^[1]該方法基于雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)隧穿肖特基勢(shì)壘二極管，可以為“預(yù)計(jì)在不久的將來出現(xiàn)的多核計(jì)算機(jī)微處理器”中的超快光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸?shù)於ɑ�礎(chǔ)。

半導(dǎo)體行業(yè)巨頭IBM、惠普、英特爾、甲骨文和其他公司正在追求創(chuàng)建千核處理器，該處理器的速度將比10核處理器快100倍。這樣的成就將有可能在單個(gè)芯片上設(shè)計(jì)出真正的超級(jí)計(jì)算機(jī)。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的挑戰(zhàn)是：在納米級(jí)上連接光學(xué)和電子設(shè)備。為此，光學(xué)組件不能大于數(shù)百納米。此尺寸限制也適用于片上激光器，這對(duì)于將信息從電信號(hào)轉(zhuǎn)換為承載數(shù)據(jù)的光脈沖是必不可少的。

用表面等離激元代替光子

但是，量子不確定性原理說，光子可以定位在最小體積內(nèi)：這樣的體積不能小于光子波長(zhǎng)的立方。話雖如此，但有一種方法可以解決光學(xué)器件尺寸的限制：用表面等離激元（SPP）代替光子。

只有少數(shù)幾種金屬（稱為等離子金屬）適合與SPP配合使用：金、銀、銅和鋁。SPP是電磁波，但是在相同的頻率下，它們的定位要比光子好得多。使用SPP代替光子可以“壓縮”光，從而克服衍射極限。

當(dāng)前技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)真正的納米級(jí)等離子激元激光器的設(shè)計(jì)。但是，這些納米激光器是光泵浦，使其不適合在電子芯片上使用。用于大規(guī)模生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用的芯片，必須包含數(shù)百個(gè)納米激光器，并且必須在普通的印刷電路板上運(yùn)行。實(shí)際的激光器既需要電泵浦，又需要在室溫下工作（后者不能使用此類激光器中歐姆接觸所需的鈦或鉻）。

到目前為止，已經(jīng)通過計(jì)算機(jī)建模確認(rèn)的新的電泵浦方案基于金（Au）/磷砷化銦（InA_SP）/銦鎵砷（InGaAs）/砷化鋁銦（AlInAs）雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有隧穿肖特基接觸，這使得歐姆接觸及其強(qiáng)吸收性金屬變得多余�，F(xiàn)在，泵浦發(fā)生在等離子金屬與半導(dǎo)體之間的界面上，SPP沿該界面?zhèn)鞑ァ�MIPT光子學(xué)與2D材料中心的Dmitry Fedyanin說：“我們新穎的泵浦方式，使得將電驅(qū)動(dòng)激光器帶到納米級(jí)成為可能，同時(shí)又保持了其在室溫下運(yùn)行的能力。與此同時(shí)，與其他電泵浦納米激光器不同，在新設(shè)計(jì)中，輻射被有效地導(dǎo)向光子或等離子體波導(dǎo)，從而使納米激光器適合集成電路。”

環(huán)形諧振腔

激光腔具有亞波長(zhǎng)環(huán)形諧振器設(shè)計(jì)，并帶有InGaAs有源層。激光的發(fā)射波長(zhǎng)為1.95μm（很容易在硅波導(dǎo)中傳輸）。在該納米激光器中，SPP占據(jù)的體積比光波長(zhǎng)的立方小30倍。據(jù)研究人員稱，他們的室溫等離子體納米激光器可以很容易做得甚至更小，使其特性更出色，但這是以無法有效地將輻射提取到總線波導(dǎo)中的不穩(wěn)定性作為代價(jià)的。因此，盡管進(jìn)一步小型化將使該器件不能很好地應(yīng)用于片上集成電路，但是對(duì)于化學(xué)和生物傳感器、以及近場(chǎng)光譜學(xué)或光遺傳學(xué)來說，仍然是方便的。

盡管具有納米級(jí)得尺寸，但納米激光器的預(yù)測(cè)輸出功率超過100μW，可與大得多的光子激光器相媲美。研究人員表示，如此高的輸出功率將使每個(gè)納米激光器每秒能傳輸數(shù)百GB的信息，從而解決了更高性能微芯片所面臨的一個(gè)最大障礙。

參考文獻(xiàn)

1. D. Y. Fedyanin et al., Nanophotonics, 9, 3965–3975 (2020); https://doi.org/10.1515/nanoph-2020-0157.