江苏激光联盟导读：

来自莫斯科和伦敦国王学院的研究人员，在创造电驱动的用于集成电路的纳米激光上取得重大突破。这一研究成果发表在期刊《Nanophotonics》上。

电泵浦的表面等离子激元的纳米激光器

来自莫斯科物理技术学院（Moscow Institute of Physics and Technology）和伦敦国王学院（King’s College London）的研究人员共同发布了一个一项新的重大成果，他们突破了一直以来阻碍制造电驱动的用于集成电路的纳米激光器的制造。这一新的重大突破，发表在期刊《Nanophotonics》上，使得相干光源的设计在尺度上不仅可以是人体头发的几百倍之一的层面上，但同时也可以远远小于激光所发射的波长。这一重大突破为在不久的将来，超快光数据的传输在许多核心的微处理领域的应用奠定了基础。

在1980年，光信号革新了信息技术，当光纤开始替代铜线来进行信息传输的时候，使得数据的传输比以前快了好几个数量级。由于通讯时依靠光的，光是一种电磁波，其频率时几百太赫兹。这使得数据传输可以在一根单根的光纤中在一秒内传输兆字节的数据，这一速度显著的超越了电气互连的速度。

光纤光学构成了现代的网络，但光却可以为我们提供更多的服务。它可以在超级计算机的微处理器内部来付诸实施，以及工作站，智能手机和其他部件。这需要使用的光学光纤通讯的线路同纯粹的电子元件相连接，如处理的核心。结果，大量的信息就可以通过芯片以几乎同步的形式进行传播。

排除数据传输的限制，将会使得通过堆垛更多的处理器核心直接提高微处理器的性能成为可能。达到堆垛1000 个核心处理器的时候就可以实现完全的10个处理器核心的100倍的传输速度，这曾经被半导体的工业巨头IBM，HP，Iｎtel，Oracle以及其他的公司所实现。反过来，这使得在单一芯片上设计一个真正的超级计算机成为可能。

面临的挑战是在纳米尺度连接光学和电子器件。为了实现这一目标，该光学部件的尺寸就不能超过几百纳米，1纳米是一根头发丝直径的六万之一。这一尺寸的限制同样对于芯片激光器也是如此，这对转换信息从电信号到光学脉冲信号来携带字节类型的数据是非常重要的。

然而，光是一类电磁辐射的信号，其波长为几百纳米。并且量子的不稳定性原理指出，光粒子或声子的一定的最小体积，是可以进行局域化的。它不能小于波长的立方。粗略地说，如果一个激光器太小的话，声子将不会适合进入它。这就是说，在光学器件的尺寸上存在一定的限制，这就是衍射极限。解决的办法就是用表面等离子体激元（surface plasmon-polaritons, or SPPs）来替换声子。

.SPPs是收集电子的振动，这些电子是受限于金属的表面并和周围的电子场相互作用。只有一些称之为等离子的金属是适合SPPs工作的，如金，银，铜和铝等。同声子一样，SPPs也是一种电磁波，但在同一频率下它更容易实现局域化，也就是说，他们会占据更小的空间。使用SPPs，而不是声子，可以使得压缩光成为可能，于是可以克服衍射极限。

使用当前的技术，设计真正的纳米尺度的等离子激光已经成为可能。然而，这些纳米激光器均属于光泵浦形式的，也就是说，他们不得不被一个外部的大体积的和高功率的激光所照射。这一限制对于从事科学研究的设备来说是比较方便的，但如果是在实验室之外，就非常不方便。一个电子芯片用于大批量生产和实际的生活应用的时候，就不得不将成百上千的纳米激光器组合在一起，并且运行在一个普通的打印电路的电路板上。一个实用的激光需要电泵浦，或者说，通过通常的电池或DC电源来供给能量。因此这类激光器只适合运行在低温环境下的器件，这就非常不适合大多数的应用场景，因为要维持液氮的冷却在常规的条件下并不是一件容易的事情。

来自莫斯科物理技术学院（Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT) ）和伦敦国王学院的物理学家提出了一种可以替代传统的电泵浦的办法。通常的，纳米激光的电泵浦需要的欧姆电阻采用钛合金，Cr或者相类似的金属来进行制造。然而，其接触的部分必须是共振器的一部分，激光辐射在该体积空间内产生中。问题就在于钛合金和Cr均属于可以强烈的吸收光的物质，这样就会损害振荡器的性能。这一激光经受的较高的泵浦电流，从而易于过热。这就是为什么需要采用低温进行冷却的原因，结果采用的低温进行冷却，就又使得该设备的操作不方便。

研究人员提出的新的电泵浦设计理念是基于隧道肖特基接触（tunneling Schottky contact）双异质结构（double heterostructure ）来实现的。这一设计使得欧姆接触可以强烈的吸收多余的金属。泵浦在发生的时候穿过等离子激元金属和半导体的界面，同时伴随着SPPs 的扩展。我们的泵浦理念可以使得携带电驱动的激光向纳米激光过渡成为可能,而且可以保持它在室温下可以运行.与此同时,不像其他的电泵浦纳米激光器,其辐射非常有效,直接同声子或等离子波导相关,使得纳米激光器适合集成电路的应用,来自MIPT声子和2D材料中心的Dmitry Fedyanin博士说到．

研究人员提出的等离子纳米激光器其体非常小，在其三维的每一部分，均小于激光发射的波长．而且， SPPs 在纳米激光器中所占据的体积是激光波长立方的30分之一还要小．依据研究人员的结果，室温等离子纳米激光器可以制造得更小，使得其特征令人赞叹，但这又可能会存在不稳定性，而这一点对汽车的波导是至关重要的．因此，在进一步的将其小型化之外，这样才有利于应用到芯片集成电路中，这样才更有利于非常方便的用于化学生物传感器和近场光谱分析或光遗传学等领域．

尽管纳米激光器的尺寸比较小，但其可以预测的输出功率可以达到100 毫瓦，这一数值可以相当于大的声子激光器．这一高的输出功率使得每一个纳米激光器均可以每秒钟用来传输成百上千的兆比特，这就排除了最为高性能微处理芯片的一个巨大的障碍．并且这还包括所有类型的高端计算：超级计算机处理器，数据处理器以及甚至是一些在将来所发明的小装置．

这一工作得到了俄罗斯基础研究的资助。

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文章来源: “Lasing at the nanoscale: coherent emission of surface plasmons by an electrically driven nanolaser” by Dmitry Yu. Fedyanin, Alexey V. Krasavin, Aleksey V. Arsenin and Anatoly V. Zayats, 20 July 2020, Nanophotonics.

DOI: 10.1515/nanoph-2020-0157