美國(guó)伯克利實(shí)驗(yàn)室的研究人員研發(fā)出一種納米光學(xué)天線，可極大增強(qiáng)原子、分子和半導(dǎo)體量子點(diǎn)的自發(fā)輻射。該進(jìn)展為發(fā)光二極管在短距光通信，包括光學(xué)互連芯片和其他潛在應(yīng)用方面取代激光器開(kāi)啟了大門(mén)。
伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)分部的電氣工程師Eli Yablonovi說(shuō)："與受激光輻射相比，自發(fā)光輻射一直不被重視"。
“但是，利用恰當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)天線，自發(fā)光輻射實(shí)際上可以比受激光輻射更快。”
Yablonovitch任教于加州大學(xué)伯克利分校，指導(dǎo)美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)中心從事節(jié)能電子科學(xué)(E3S)的研究，同時(shí)他也是伯克利Kavli能源納米科學(xué)研究所 (Kavli ENSI) 的成員之一。他率領(lǐng)了一個(gè)團(tuán)隊(duì)，使用由金制成的外部天線，使銦鎵砷磷 (InGaAsP) 制成的納米棒的自發(fā)光輻射有效增強(qiáng)了115倍。
這個(gè)接近200倍的增加，在減小受激光輻射和自發(fā)光輻射速度差方面，具有里程碑意義。當(dāng)增加到200倍時(shí)，自發(fā)輻射率會(huì)超過(guò)受激輻射率。
Yablonovitch 說(shuō)，"我們相信利用光學(xué)天線，自發(fā)輻射率增強(qiáng)有可能超過(guò)2500 倍，同時(shí)保持50%以上的發(fā)光效率，"采用光學(xué)天線增強(qiáng)型發(fā)光二級(jí)管替換微芯片上導(dǎo)線，將實(shí)現(xiàn)更快的光互連和更強(qiáng)的計(jì)算能力。"
該項(xiàng)研究成果發(fā)表在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院學(xué)報(bào) (PNAS)中，論文題為"光學(xué)天線增強(qiáng)型自發(fā)光輻射"。Yablonovitch 和加州大學(xué)伯克利分校的吳明是通訊作者，合作者是邁克爾.艾格爾斯頓，凱文.梅塞爾和張黎明。
在高科技的世界，激光無(wú)處不在，已經(jīng)成為高速光通信的主力。然而，激光在諸如一米或更小的短距光通信方面也存在弊端——他們消耗過(guò)多電能，通常會(huì)占用太多空間。發(fā)管二極管將成為更有效的替代選擇，但卻受限于它們的自發(fā)輻射率。
Yablonovitch 說(shuō)"由于分子太小，不能作為自己的天線，分子大小的輻射源的自發(fā)輻射被減慢了許多數(shù)量級(jí)。”“加快這些自發(fā)光輻射的關(guān)鍵是將輻射分子結(jié)合成半波長(zhǎng)天線。雖然我們已經(jīng)擁有廣播電臺(tái)的天線120年了，但在某種程度上，我們忽視了光學(xué)天線。有時(shí)偉大的發(fā)現(xiàn)就在我們眼前，等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。
Yablonovitch 和同事在他們的光學(xué)天線中使用拱形天線結(jié)構(gòu)。方形銦鎵砷磷納米棒表面涂有一二氧化鈦隔離層，為納米棒和垂直沉積在其上共同形成天線的納米線之間提供隔離。
作為自發(fā)光輻射材料的銦鎵砷磷，已廣泛用于紅外激光通信和光電探測(cè)器。
除了應(yīng)用于短距離通信，配有光學(xué)天線的發(fā)光二極管在光電探測(cè)器也有重要應(yīng)用。光學(xué)天線還可以應(yīng)用于成像、生物傳感和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
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