集成电路电驱动纳米激光器的创建中的突破

电泵表面等离激元极化纳米激光。

莫斯科物理技术学院和伦敦国王学院的研究人员清除了阻碍创建用于集成电路的电驱动纳米激光的障碍。在最近发表在《纳米光子学》上的一篇论文中报道了这种方法，该方法不仅在规模上比人发的厚度小数百倍，而且还比激光器发出的光的波长小，从而使相干光源设计成为可能。这为有望在不久的将来出现的许多核心微处理器奠定了超快速光学数据传输的基础。

光信号在1980年代彻底改变了信息技术，当时光纤开始代替铜线，使数据传输速度提高了几个数量级。由于光通信依赖于光（频率为数百太赫兹的电磁波），因此它允许通过单根光纤每秒传输数TB的数据，大大优于电互连。

光纤是现代互联网的基础，但是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实施。这要求使用光通信线来互连诸如处理器核之类的纯电子组件。结果，大量信息可以几乎立即在整个芯片上传输。

摆脱数据传输的限制，可以通过堆叠更多的处理器内核来直接提高微处理器性能，以至于创建一个1,000核处理器，其速度实际上是其10核处理器的100倍。半导体行业巨头IBM，HP，Intel，Oracle等。反过来，这将使在单个芯片上设计真正的超级计算机成为可能。

挑战是在纳米级连接光学和电子设备。为了实现这一点，光学组件不能大于数百纳米，这是比人类头发的宽度小约100倍。此大小限制也适用于片上激光器，这对于将信息从电信号转换为承载数据位的光脉冲是必不可少的。

然而，光是一种具有数百纳米波长的电磁辐射。量子不确定性原理说，光粒子或光子可以存在一定的最小体积。它不能小于波长的立方。含糊不清的说法是，如果使激光器过小，则光子将无法容纳其中。就是说，有种方法可以绕开光学器件尺寸的限制，这就是衍射极限。解决方案是用表面等离激元极化子或SPP代替光子。

SPP是电子的集体振动，其局限于金属表面并与周围的电磁场相互作用。只有少数几种称为等离子金属的金属适合与SPP配合使用：金，银，铜和铝。就像光子一样，SPP是电磁波，但在相同的频率下，它们的定位要好得多-也就是说，它们占用的空间较小。使用SPP代替光子可以“压缩”光，从而克服衍射极限。

当前技术已经可以实现真正的纳米级等离子激元激光器的设计。但是，这些纳米激光是被光泵浦的，也就是说，它们必须用外部的大功率和高功率激光器进行照明。对于科学实验来说，这可能很方便，但不在实验室之外。打算用于大规模生产和现实生活应用的电子芯片必须结合数百个纳米激光器，并在普通印刷电路板上运行。实用激光器需要电动泵浦，或者换句话说，由普通电池或直流电源供电。Sofar这样的激光器仅可用作在低温下运行的设备，这不适用于大多数实际应用，因为通常无法保持液氮冷却。

莫斯科物理与技术研究所（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建议。通常，纳米级激光器的电泵方案需要由钛，铬或类似金属制成的欧姆接触。此外，该接触必须是谐振器的一部分，即产生激光辐射的体积。这样的问题是钛和铬强烈吸收光，这损害了谐振器的性能。这样的激光器具有高的泵浦电流并且容易过热。这就是为什么需要低温冷却及其带来的所有不便的原因。

提出的用于电泵的新方案基于具有楔形肖特基接触的双异质结构。它使得与强吸收金属的欧姆接触变得多余。现在，泵浦发生在等离子金属与半导体之间的界面上，SPP沿该界面传播。“我们新颖的泵浦方法使将电动激光器带到纳米级成为可能，同时保留了其在室温下运行的能力。同时，与其他电泵纳米激光器不同，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。”来自MIPT的光子学和2D材料中心的Dmitry Fedyanin博士评论道。

研究人员提出的等离激元纳米激光在其三个维度上都比其发出的光的波长小。此外，纳米激光中SPP所占据的体积比立方光的光波长小30倍。根据研究人员的说法，他们的室温等离子体纳米激光可以很容易地做得更小，使其特性更加令人印象深刻，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装置难以适用于片上集成电路，但是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仍然是方便的。

尽管具有纳米级尺寸，但纳米激光的预测输出功率总计超过100微瓦，可与更大的光子激光器相媲美。如此高的输出功率使每个纳米激光每秒可传输数百吉比特，从而消除了高性能微芯片的最大障碍之一。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，甚至将来还会发明的一些小工具。

参考：德米特里·于（Dmitry Yu）“纳米激光：由电驱动纳米激光相干发射表面等离激元”。Fedyanin，Alexey V.Krasavin，Aleksey V.Arsenin和Anatoly V.Zayats，2020年7月20日，纳米光子学.DOI：
10.1515 / nanoph-2020-0157

这项研究得到了俄罗斯基础研究基金会的资助。