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莫斯科物理技術(shù)學(xué)院和倫敦國(guó)王學(xué)院的研究人員清除了阻礙創(chuàng)建用于集成電路的電驅(qū)動(dòng)納米激光的障礙。在最近發(fā)表在《納米光子學(xué)》上的一篇論文中報(bào)道了這種方法，該方法可以使相干光源設(shè)計(jì)的規(guī)模不僅比人發(fā)的厚度小數(shù)百倍，而且還比激光器發(fā)出的光的波長(zhǎng)小。這為有望在不久的將來(lái)出現(xiàn)的許多核心微處理器中的超快速光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸?shù)於嘶A(chǔ)。

光信號(hào)在1980年代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)傳輸速度提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。由于光通信依賴于光(頻率為數(shù)百太赫茲的電磁波)，因此它允許通過(guò)單根光纖每秒傳輸數(shù)TB的數(shù)據(jù)，大大優(yōu)于電互連。

光纖是現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，但是光可以為我們做更多的事情。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)部將其付諸實(shí)踐。這要求使用光通信線來(lái)互連純電子組件，例如處理器核心。結(jié)果，大量信息幾乎可以立即在整個(gè)芯片上傳輸。

擺脫數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗?，可以通過(guò)堆疊更多的處理器內(nèi)核來(lái)直接提高微處理器性能，以至于創(chuàng)建一個(gè)1,000核處理器，其速度實(shí)際上是其10核處理器的100倍。半導(dǎo)體行業(yè)巨頭IBM，HP，Intel，Oracle等。反過(guò)來(lái)，這將有可能在單個(gè)芯片上設(shè)計(jì)出真正的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

挑戰(zhàn)是在納米級(jí)連接光學(xué)和電子設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，光學(xué)組件不能大于數(shù)百納米，這比人的頭發(fā)寬度小約100倍。此大小限制也適用于片上激光器，這對(duì)于將信息從電信號(hào)轉(zhuǎn)換為承載數(shù)據(jù)位的光脈沖是必需的。

然而，光是一種具有數(shù)百納米波長(zhǎng)的電磁輻射。量子不確定性原理說(shuō)，光粒子或光子可以在其中存在一定的最小體積。它不能小于波長(zhǎng)的立方。簡(jiǎn)而言之，如果使激光太小，光子將無(wú)法容納其中。就是說(shuō)，有種方法可以繞開(kāi)光學(xué)器件尺寸的限制，即衍射極限。解決方案是用表面等離激元極化子或SPP代替光子。

SPP是局限在金屬表面并與周圍電磁場(chǎng)相互作用的電子的集體振動(dòng)。只有少數(shù)幾種稱為等離子金屬的金屬可與SPP配合使用：金，銀，銅和鋁。就像光子一樣，SPP是電磁波，但在相同的頻率下，它們的定位要好得多-也就是說(shuō)，它們占用的空間較小。使用SPP代替光子可以“壓縮”光，從而克服衍射極限。

使用當(dāng)前技術(shù)已經(jīng)可以設(shè)計(jì)出真正的納米級(jí)等離子激元激光器。然而，這些納米激光是被光泵浦的，也就是說(shuō)，它們必須被外部的大功率和高功率激光照射。這對(duì)于科學(xué)實(shí)驗(yàn)可能很方便，但不在實(shí)驗(yàn)室之外。打算用于大規(guī)模生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用的電子芯片必須結(jié)合數(shù)百個(gè)納米激光，并在普通的印刷電路板上運(yùn)行。實(shí)際的激光器需要電泵浦，或者換句話說(shuō)，由普通電池或直流電源供電。到目前為止，由于通常無(wú)法維持液氮冷卻，因此此類激光器僅可用作在低溫下運(yùn)行的設(shè)備，不適用于大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用。

莫斯科物理與技術(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)方式電泵工作的方法。通常，納米級(jí)激光器的電泵方案需要由鈦，鉻或類似金屬制成的歐姆接觸。此外，該接觸必須是諧振器的一部分，即產(chǎn)生激光輻射的體積。這樣的問(wèn)題是鈦和鉻強(qiáng)烈吸收光，這損害了諧振器的性能。這樣的激光器具有高的泵浦電流并且容易過(guò)熱。這就是為什么需要低溫冷卻以及隨之而來(lái)的所有不便之處。

提出的用于電泵的新方案基于具有隧道肖特基接觸的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這使得與其強(qiáng)吸收金屬的歐姆接觸變得多余?，F(xiàn)在，泵浦發(fā)生在等離子金屬與半導(dǎo)體之間的界面上，SPP沿著該界面?zhèn)鞑??！拔覀冃路f的泵浦方法可以將電驅(qū)動(dòng)激光器帶到納米級(jí)，同時(shí)保持其在室溫下運(yùn)行的能力。與此同時(shí)，與其他電泵納米激光器不同，輻射可以有效地定向到光子或等離子波導(dǎo)，使納米激光適合集成電路?！眮?lái)自MIPT的光子學(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在其三個(gè)維度上都比其發(fā)射的光的波長(zhǎng)小。此外，納米激光中SPP所占據(jù)的體積比立方光的波長(zhǎng)小30倍。根據(jù)研究人員的說(shuō)法，他們的室溫等離子體納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，但這是以無(wú)法有效地將輻射提取到總線波導(dǎo)中為代價(jià)的。因此，盡管進(jìn)一步的小型化將使得該裝置不能很好地應(yīng)用于片上集成電路，但是對(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)仍然是方便的。

盡管具有納米級(jí)尺寸，但納米激光的預(yù)測(cè)輸出功率總計(jì)超過(guò)100微瓦，可與更大的光子激光器相媲美。如此高的輸出功率允許每個(gè)納米激光每秒傳輸數(shù)百吉比特，從而消除了高性能微芯片的最大障礙之一。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，甚至將來(lái)還會(huì)發(fā)明的一些小工具。