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莫斯科物理技術(shù)學院和倫敦國王學院的研究人員清除了阻礙創(chuàng)建用于集成電路的電驅(qū)動納米激光的障礙。在最近發(fā)表在《納米光子學》上的一篇論文中報道了這種方法，該方法可以使相干光源設計的規(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)出的光的波長小。這為有望在不久的將來出現(xiàn)的許多核心微處理器中的超快速光學數(shù)據(jù)傳輸?shù)於嘶A。

光信號在1980年代徹底改變了信息技術(shù)，當時光纖開始取代銅線，使數(shù)據(jù)傳輸速度提高了幾個數(shù)量級。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，但是光可以為我們做更多的事情。甚至可以在超級計算機，工作站，智能手機和其他設備的微處理器內(nèi)部將其付諸實踐。這要求使用光通信線來互連純電子組件，例如處理器核心。結(jié)果，大量信息幾乎可以立即在整個芯片上傳輸。

擺脫數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗疲梢酝ㄟ^堆疊更多的處理器內(nèi)核來直接提高微處理器性能，以至于創(chuàng)建一個1,000核處理器，其速度實際上是其10核處理器的100倍。半導體行業(yè)巨頭IBM，HP，Intel，Oracle等。反過來，這將有可能在單個芯片上設計出真正的超級計算機。

挑戰(zhàn)是在納米級連接光學和電子設備。為了實現(xiàn)這一點，光學組件不能大于數(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，這對于將信息從電信號轉(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)百納米波長的電磁輻射。量子不確定性原理說，光粒子或光子可以在其中存在一定的最小體積。它不能小于波長的立方。簡而言之，如果使激光太小，光子將無法容納其中。就是說，有種方法可以繞開光學器件尺寸的限制，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相互作用的電子的集體振動。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，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。

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

莫斯科物理與技術(shù)研究所(MIPT)和倫敦國王學院的物理學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。這樣的問題是鈦和鉻強烈吸收光，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熱。這就是為什么需要低溫冷卻以及隨之而來的所有不便之處。

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體之間的界面上，SPP沿著該界面?zhèn)鞑ァ！拔覀冃路f的泵浦方法可以將電驅(qū)動激光器帶到納米級，同時保持其在室溫下運行的能力。與此同時，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，使納米激光適合集成電路。”來自MIPT的光子學和二維材料中心的Dmitry Fedyanin博士評論道。

研究人員提出的等離子納米激光在其三個維度上都比其發(fā)射的光的波長小。此外，納米激光中SPP所占據(jù)的體積比立方光的波長小30倍。根據(jù)研究人員的說法，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，但這是以無法有效地將輻射提取到總線波導中為代價的。因此，盡管進一步的小型化將使得該裝置不能很好地應用于片上集成電路，但是對于化學和生物傳感器以及近場光學光譜學或光遺傳學來說仍然是方便的。

盡管具有納米級尺寸，但納米激光的預測輸出功率總計超過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算設備：超級計算機處理器，圖形處理器，甚至將來還會發(fā)明的一些小工具。