文/John Wallace

图1：电泵浦环形表面等离激元纳米激光双异质结构，由AlInAs上的InAsP/InGaAs/AlInAs叠层组成，被二氧化硅和金覆盖层包围。（图片来源：Dmitry Fedyanin）

在光子集成电路的所有组件中，激光光源最主要的问题。由于硅本身不容易发光，因此通常必须在硅上制造更适合作为发光体的其他半导体，以形成混杂结构。莫斯科物理技术学院（MIPT）和伦敦国王学院的研究人员，已创造了此类新项目，他们已清除了曾阻碍创建集成电路用的电驱动纳米激光器的障碍。^[1]该方法基于双异质结构隧穿肖特基势垒二极管，可以为“预计在不久的将来出现的多核计算机微处理器”中的超快光学数据传输奠定基础。

半导体行业巨头IBM、惠普、英特尔、甲骨文和其他公司正在追求创建千核处理器，该处理器的速度将比10核处理器快100倍。这样的成就将有可能在单个芯片上设计出真正的超级计算机。实现这个目标的挑战是：在纳米级上连接光学和电子设备。为此，光学组件不能大于数百纳米。此尺寸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的光脉冲是必不可少的。

用表面等离激元代替光子

但是，量子不确定性原理说，光子可以定位在最小体积内：这样的体积不能小于光子波长的立方。话虽如此，但有一种方法可以解决光学器件尺寸的限制：用表面等离激元（SPP）代替光子。

只有少数几种金属（称为等离子金属）适合与SPP配合使用：金、银、铜和铝。SPP是电磁波，但是在相同的频率下，它们的定位要比光子好得多。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，这些纳米激光器是光泵浦，使其不适合在电子芯片上使用。用于大规模生产和实际应用的芯片，必须包含数百个纳米激光器，并且必须在普通的印刷电路板上运行。实际的激光器既需要电泵浦，又需要在室温下工作（后者不能使用此类激光器中欧姆接触所需的钛或铬）。

到目前为止，已经通过计算机建模确认的新的电泵浦方案基于金（Au）/磷砷化铟（InA_SP）/铟镓砷（InGaAs）/砷化铝铟（AlInAs）双异质结构，具有隧穿肖特基接触，这使得欧姆接触及其强吸收性金属变得多余。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。MIPT光子学与2D材料中心的Dmitry Fedyanin说：“我们新颖的泵浦方式，使得将电驱动激光器带到纳米级成为可能，同时又保持了其在室温下运行的能力。与此同时，与其他电泵浦纳米激光器不同，在新设计中，辐射被有效地导向光子或等离子体波导，从而使纳米激光器适合集成电路。”

环形谐振腔

激光腔具有亚波长环形谐振器设计，并带有InGaAs有源层。激光的发射波长为1.95μm（很容易在硅波导中传输）。在该纳米激光器中，SPP占据的体积比光波长的立方小30倍。据研究人员称，他们的室温等离子体纳米激光器可以很容易做得甚至更小，使其特性更出色，但这是以无法有效地将辐射提取到总线波导中的不稳定性作为代价的。因此，尽管进一步小型化将使该器件不能很好地应用于片上集成电路，但是对于化学和生物传感器、以及近场光谱学或光遗传学来说，仍然是方便的。

尽管具有纳米级得尺寸，但纳米激光器的预测输出功率超过100μW，可与大得多的光子激光器相媲美。研究人员表示，如此高的输出功率将使每个纳米激光器每秒能传输数百GB的信息，从而解决了更高性能微芯片所面临的一个最大障碍。

参考文献

1. D. Y. Fedyanin et al., Nanophotonics, 9, 3965–3975 (2020); https://doi.org/10.1515/nanoph-2020-0157.