來(lái)自莫斯科物理技術(shù)學(xué)院和倫敦國(guó)王學(xué)院的研究人員掃清了為集成電路制造電驅(qū)動(dòng)納米激光器的障礙。在最近發(fā)表于Nanophotonics雜志上的論文中報(bào)道了這種技術(shù)，使得相干光源的設(shè)計(jì)規(guī)模不僅比人類頭發(fā)的厚度小幾百倍，甚至比激光發(fā)射的光波長(zhǎng)還要小。這為在不久的將來(lái)出現(xiàn)的多核微處理器中超快光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸?shù)於�了基礎(chǔ)。

20世紀(jì)80年代，光信號(hào)徹底改變了信息技術(shù)，當(dāng)時(shí)光纖開(kāi)始取代銅線，使數(shù)據(jù)傳輸速度加快了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。由于光通信依賴于頻率為幾百太赫茲的光電磁波，它允許每秒通過(guò)一根光纖傳輸數(shù)兆字節(jié)的數(shù)據(jù)，其性能大大超過(guò)了電互連。

光纖是現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，但光可以為我們做更多的事情。它甚至可以在超級(jí)計(jì)算機(jī)、工作站、智能手機(jī)和其他設(shè)備的微處理器內(nèi)部付諸實(shí)施。這需要使用光通信線路來(lái)互連純電子元件，例如處理器核心。因此，大量的信息幾乎可以瞬間通過(guò)芯片傳輸。擺脫數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗�，可以通過(guò)堆疊更多的處理器核來(lái)直接提高微處理器的性能，從而創(chuàng)造出一個(gè)1000核處理器，其速度幾乎是10核處理器的100倍，而這正是半導(dǎo)體行業(yè)巨頭IBM、HP、Intel所追求的，甲骨文等。這反過(guò)來(lái)將使在單個(gè)芯片上設(shè)計(jì)真正的超級(jí)計(jì)算機(jī)成為可能。

這其中的挑戰(zhàn)是在納米尺度上連接光學(xué)和電子學(xué)。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，光學(xué)元件的尺寸不能超過(guò)幾百納米，這大約是人類頭發(fā)寬度的100倍。這種尺寸限制也適用于片上激光器，它是將電信號(hào)信息轉(zhuǎn)換成攜帶數(shù)據(jù)位的光脈沖所必需的。

然而，光是一種波長(zhǎng)達(dá)數(shù)百納米的電磁輻射。量子不確定原理說(shuō)，光粒子，或者光子，有一個(gè)最小的體積可以定域。它不能小于波長(zhǎng)的立方。粗略地說(shuō)，如果一個(gè)激光器太小，光子將不適合它。也就是說(shuō)，有很多方法可以繞過(guò)光學(xué)器件尺寸的限制，即衍射極限。解決辦法是用表面等離子體激元（spp）代替光子。

表面等離子體激元是限制在金屬表面并與周?chē)�電磁�?chǎng)相互作用的電子的集體振蕩。只有少數(shù)被稱為等離子金屬的金屬能很好地與表面等離子體激元一起工作：金、銀、銅和鋁。與光子一樣，表面等離子體激元也是電磁波，但在相同的頻率下，它們的局部化程度更好，也就是說(shuō)，它們占用的空間更小。用表面等離子體激元代替光子可以“壓縮”光，從而克服衍射極限。

利用目前的技術(shù)，設(shè)計(jì)真正的納米級(jí)等離子激光器已經(jīng)成為可能。然而，這些奈米雷射是光抽運(yùn)的，也就是說(shuō)，它們必須用外部的大功率大功率雷射照射。這對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)可能很方便，但在實(shí)驗(yàn)室之外就不方便了。一個(gè)用于大規(guī)模生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用的電子芯片必須包含數(shù)百個(gè)納米激光器，并在普通印刷電路板上運(yùn)行。一個(gè)實(shí)用的激光器需要電泵，或者換句話說(shuō)，由普通電池或直流電源供電。到目前為止，這類激光器只能作為在低溫下工作的設(shè)備使用，這并不適合大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用，因?yàn)楸３忠旱�冷卻通常是不可能的。

莫斯科物理技術(shù)研究所（MIPT）和倫敦國(guó)王學(xué)院的物理學(xué)家提出了一種替代傳統(tǒng)電泵工作方式的方案。通常需要金屬納米激光器或類似的金屬歐姆激光器。此外，這種接觸必須是諧振腔的一部分——產(chǎn)生激光輻射的體積。問(wèn)題是鈦和鉻會(huì)強(qiáng)烈吸收光，這損害了諧振器的性能。這種激光器受高泵浦電流的影響，容易過(guò)熱。這就是為什么需要低溫冷卻，以及由此帶來(lái)的種種不便。

研究人員提出了一種新的電泵抽運(yùn)方案，它基于一種具有隧穿肖特基接觸的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)。它使歐姆接觸與它的強(qiáng)吸收金屬冗余。抽運(yùn)現(xiàn)在發(fā)生在等離子金屬和半導(dǎo)體之間的界面上，表面等離子體激元沿著這個(gè)界面?zhèn)鞑�。“我們新穎的抽運(yùn)方法使電驅(qū)動(dòng)激光器達(dá)到納米級(jí)成為可能，同時(shí)保持其在室溫下的工作能力。同時(shí)，與其他電泵納米激光器不同的是，輻射被有效地引導(dǎo)到光子或等離子波導(dǎo)中，使納米激光器適合集成電路，” 莫斯科物理技術(shù)研究所光子學(xué)和二維材料中心的Dmitry Fedyanin博士評(píng)論道。

研究人員提出的等離子納米激光器在三維空間中的每一個(gè)都比它發(fā)射的光的波長(zhǎng)小。此外，表面等離子體激元在納米激光器中所占的體積比光波長(zhǎng)的立方小30倍。據(jù)研究人員稱，他們的室溫等離子納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，但這將以無(wú)法有效地將輻射提取到總線波導(dǎo)中為代價(jià)。因此，雖然進(jìn)一步的小型化將使該器件不適用于片上集成電路，但對(duì)于化學(xué)和生物傳感器以及近場(chǎng)光學(xué)光譜學(xué)或光遺傳學(xué)來(lái)說(shuō)，它仍然是方便的。

盡管納米激光器的尺寸是納米級(jí)的，但預(yù)計(jì)的輸出功率將超過(guò)100微瓦，這與更大的光子激光器相當(dāng)。如此高的輸出功率允許每臺(tái)納米激光器每秒傳輸數(shù)百吉比特，從而消除了高性能微芯片的最大障礙之一。這其中包括各種高端計(jì)算設(shè)備：超級(jí)計(jì)算機(jī)處理器、圖形處理器，甚至可能還有一些將來(lái)要發(fā)明的新鮮事物。

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