耶魯大學(xué)研究的新型硅激光器的技術(shù)核心與未來前景

美國(guó)耶魯大學(xué)研發(fā)出一種使用聲波放大光信號(hào)的新型硅激光器，該進(jìn)展可顯著擴(kuò)展在硅光電電路中對(duì)光的控制能力。研究成果在6月8日發(fā)表

研究背景

近年來，對(duì)于將光纖光學(xué)和自由空間激光器等光子技術(shù)轉(zhuǎn)化為小型光電集成電路的興趣不斷增加。使用光而非電來實(shí)現(xiàn)集成電路，其傳輸、處理信息的速度遠(yuǎn)超越傳統(tǒng)電子器件。研究人員表示，由于可與現(xiàn)有微電子器件兼容，基于硅的硅光電和光子電路是這類技術(shù)的引領(lǐng)性平臺(tái)之一。項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)者、耶魯大學(xué)應(yīng)用物理副教授Peter Rakich說：“在過去的幾年中，我們看到了硅光電技術(shù)領(lǐng)域的爆炸性增長(zhǎng)。我們不僅開始看到這些技術(shù)進(jìn)入商用產(chǎn)品領(lǐng)域，如幫助數(shù)據(jù)中心無誤工作，也發(fā)現(xiàn)新的光電器件和技術(shù)將對(duì)在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)從生物感知到量子計(jì)算信息的所有事情都帶來變革。對(duì)于這個(gè)領(lǐng)域而言，現(xiàn)在真是一個(gè)非常令人激動(dòng)的時(shí)刻?！?/p>

面臨挑戰(zhàn)

研究人員表示需求的快速增長(zhǎng)已經(jīng)對(duì)新的硅激光器產(chǎn)生了迫切需求。但由于硅的非直接帶隙，該問題在歷史上一直難以解決。Rakich實(shí)驗(yàn)室的博士生、論文的第一作者Nils Otterstrom說：“盡管對(duì)于很多芯片級(jí)光子技術(shù)非常有用，硅的本質(zhì)屬性使其使用電流產(chǎn)生激光極其困難。該問題已困擾科學(xué)家超過10年的時(shí)間。要解決這個(gè)問題，我們需要找到其他方法來放大芯片上的光。在此次研究中，我們使用了光和聲波的組合?！?/p>

此前進(jìn)展

2016年6月，Rakich所領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種能夠用聲波放大硅芯片上光強(qiáng)的新波導(dǎo)系統(tǒng)，研究成果發(fā)表在《自然光電》上。該波導(dǎo)可將光和聲都限制在硅上，具備可精確控制光和聲相互作用的能力，可以一種新的此前從未實(shí)現(xiàn)過的方式來控制和處理信息。

圖為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖

技術(shù)核心

要使用聲波放大光，硅激光器使用的是由Rakich實(shí)驗(yàn)室所研發(fā)的特殊結(jié)構(gòu)。Rakich說：“這本質(zhì)上是一個(gè)納米級(jí)波導(dǎo)，該波導(dǎo)設(shè)計(jì)用于嚴(yán)格限制光和聲波，并使他們之間的相互作用最大化。”Rakich實(shí)驗(yàn)室另一位研究生、論文的共同作者Eric Kittlaus說：“該波導(dǎo)的獨(dú)特性在于有兩個(gè)不同的傳輸通道用于光傳播。這使得我們可以定義光聲耦合的形狀，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非常健壯和靈活的激光器設(shè)計(jì)。”

激光器設(shè)計(jì)將放大的光限制在跑道形狀中，在環(huán)行運(yùn)動(dòng)中捕獲光。Otterstrom說：“跑道設(shè)計(jì)是創(chuàng)新的重要一部分。通過這種方法，我們能夠放大光的幅度，提供發(fā)生激射所需的反饋?！?/p>

Otterstrom表示，在研發(fā)新的激光器有兩個(gè)主要挑戰(zhàn)。“首先是設(shè)計(jì)和制造一個(gè)器件，其放大超過損失，然后得到有違直覺的動(dòng)態(tài)范圍。我們觀察到的是，盡管該系統(tǒng)是明確的一個(gè)光電激光器，同樣也產(chǎn)生非常連貫的超音速波?！?/p>

進(jìn)展意義

研究人員解釋，如果不使用這種結(jié)構(gòu)，使用聲波進(jìn)行的光放大將不可能在硅中實(shí)現(xiàn)。Rakich說：“我們所采用的光-聲相互作用此前并不真實(shí)存在這些光電路中，我們已經(jīng)將其轉(zhuǎn)化為在硅中的最強(qiáng)放大機(jī)制?，F(xiàn)在，我們能夠?qū)⑵溆糜趲追N新的類型激光器技術(shù)中，這些技術(shù)中的任何一個(gè)在10年前都不存在?！?/p>

潛在應(yīng)用

研究團(tuán)隊(duì)表示這些特性可能帶來大量潛在應(yīng)用，從集成振蕩器到新編/解碼方法。論文作者之一、北亞利桑那大學(xué)助教、前Rakich實(shí)驗(yàn)室成員之一Ryan Behunin說：“使用硅，我們能夠設(shè)計(jì)產(chǎn)生大量激光器，每個(gè)都有獨(dú)特的動(dòng)態(tài)范圍和潛在應(yīng)用。這些成果能夠顯著擴(kuò)展我們?cè)诠韫怆婋娐分锌刂坪鸵?guī)范光的能力?！?/p>