莫斯科物理和技术研究所 学分:莫斯科物理和技术学院 莫斯科物理与技术研究所和伦敦国王学院的研究人员清除了阻碍集成电路用电驱动纳米激光器的障碍
这种方法发表在最近的《纳米光子学》上，使得相干光源的设计规模不仅比人类头发的厚度小数百倍，甚至比激光发出的光的波长还要小
这为在不久的将来出现的众核微处理器中的超快光学数据传输奠定了基础
光信号在20世纪80年代彻底改变了信息技术，当时光纤开始取代铜线，使数据传输速度提高了几个数量级
由于光通信依赖于光——频率为几百太赫兹的电磁波——它允许通过一根光纤每秒传输万亿字节的数据，大大优于电互连
光纤是现代互联网的基础，但光可以为我们做得更多
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中付诸行动
这需要使用光通信线路来互连纯电子组件，例如处理器内核
因此，大量的信息几乎可以瞬间通过芯片传输
摆脱对数据传输的限制将有可能通过堆叠更多的处理器内核来直接提高微处理器的性能，从而创造出一个1000核的处理器，比半导体行业巨头IBM、惠普、英特尔、甲骨文和其他公司追求的10核处理器快100倍
这反过来将使在单个芯片上设计一台真正的超级计算机成为可能
挑战是在纳米尺度上连接光学和电子学
为了实现这一点，光学元件不能大于数百纳米，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，这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，光是一种波长几百纳米的电磁辐射
量子不确定性原理认为，光粒子或光子可以被定位在某个最小体积内
它不能小于波长的立方
粗略地说，如果一个人把激光做得太小，光子将无法进入其中
也就是说，有办法绕过光学器件尺寸的限制，这就是所谓的衍射极限
解决办法是用表面等离子激元取代光子
SPPs是电子的集体振荡，局限于金属表面，与周围的电磁场相互作用
只有几种被称为等离子体激元金属的金属适合与等离子体激元一起工作:金、银、铜和铝
就像光子一样，SPP是电磁波，但是在相同的频率下，它们更好地定位——也就是说，它们占据更少的空间
用单光子晶体代替光子可以“压缩”光，从而克服衍射极限
用目前的技术已经可以设计出真正纳米级的等离子体激光器
然而，这些纳米激光器是光泵浦的，也就是说，它们必须用外部大体积和高功率激光器照明
这对科学实验来说可能很方便，但不是在实验室之外
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，并在普通的印刷电路板上运行
一个实用的激光器需要电泵浦，或者，换句话说，由普通电池或DC电源供电
到目前为止，这种激光器只能作为在低温下工作的设备使用，这不适合大多数实际应用，因为维持液氮冷却通常是不可能的
来自MIPT物理与技术学院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法
通常，纳米激光器的电泵浦方案需要由钛、铬或类似金属制成的欧姆接触
此外，该触点必须是谐振器的一部分——产生激光辐射的体积
问题是钛和铬强烈吸收光，这损害了谐振器的性能
这种激光器受到高泵浦电流的影响，并且容易过热
这就是为什么需要低温冷却，以及由此带来的所有不便
提出的新的电泵浦方案是基于具有隧穿肖特基接触的双异质结构
这使得与其强吸收金属的欧姆接触变得多余
泵浦现在发生在等离子体金属和半导体之间的界面上，等离子体激元沿着该界面传播
“我们新颖的泵浦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工作的能力
与此同时，与其他电泵浦纳米激光器不同，辐射被有效地导向光子或等离子体波导，使纳米激光器适合集成电路
MIPT光子学和二维材料中心的德米特里·费迪亚宁评论道
研究人员提出的等离子体纳米激光器在其三个维度中的每一个维度上都比它发出的光的波长小
此外，在纳米激光器中，光子晶体所占据的体积比光波长的立方小30倍
据研究人员称，他们的室温等离子体纳米激光器可以很容易地做得更小，使其特性更令人印象深刻，但这是以无法有效地将辐射提取到总线波导中为代价的
因此，尽管进一步的小型化将使该器件不适用于片上集成电路，但它仍可方便地用于化学和生物传感器以及近场光学光谱学或光遗传学
尽管纳米尺度，纳米激光器的预计输出功率超过100微瓦，与大得多的光子激光器相当
如此高的输出功率使得每一个纳米激光每秒可以传输数百千兆比特，从而消除了高性能微芯片面临的最大障碍之一
这包括各种高端计算设备:超级计算机处理器、图形处理器，甚至可能还有一些未来要发明的小玩意
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
