激光器已成为即使是最平凡的任务也必不可少的工具,从突出显示PowerPoint演示文稿到刻录音乐CD。激光器对于沿光纤进行高速通信也至关重要,光纤具有比铜线中的电传输更大的带宽和更少的串扰。最近,科学家们开发了由硅制成的激光器,这是开发高速芯片的重要第一步,这些芯片将光速通信与硅电子学的处理能力完全集成在一起。
随着CPU处理速度的提高,CPU内部以及并行计算的快速芯片间通信对近乎瞬时的时钟同步的需求也在增加。集成电路产业植根于硅技术。任何可以用硅制造的东西都可以用亚微米尺寸和巨大的产量制造出来,并且具有很高的可靠性。但是硅的电子特性阻止了它像传统激光器一样工作。这种材料具有“间接带隙”,这意味着电子无法通过直接从一个能级下降到另一个能级来发射光子。直到最近,固态激光器才由直接带隙材料制成,例如砷化镓(GaAs),它可以按所需方式喷射出光子。在GaAs器件和硅系统之间建立接口非常困难,并且结果很难重现以满足行业规范。
然而,一种称为拉曼散射的技术克服了这个问题。该过程始于电子首先吸收光子。然后,受激电子通过发射声子(硅晶格晶体的振动)和能量低于吸收光子的光子来“散射”能量。在2004年10月,加州大学洛杉矶分校的两名工程师奥兹达尔·博伊拉兹和巴赫拉姆·贾拉利宣布,他们已经演示了第一个硅拉曼激光器。它是一种红外设备,发射脉冲,每个脉冲持续25万亿分之一秒,远短于它们之间的间隔。短脉冲是必要的,因为存在双光子吸收效应。硅原子可以同时吸收两个光子,从而产生一个电子和一个空穴(缺少电子)。电子-空穴对在材料中保留很长时间,吸收功率并削弱激光放大。拉曼激光器中脉冲之间的长间隔使电子和空穴能够消散。
关于支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章,请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅,您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。
2月份,英特尔的海升·荣和他的同事在《自然》杂志上发表了一篇论文,详细介绍了连续输出硅激光器的构造,该激光器以不同的方式解决了双光子吸收效应。他们的设备是一个五厘米长的S形硅波导,巧妙地避开了这个问题。荣使用了经典的硅器件,即PIN二极管。他在波导的一侧掺杂了正电荷,另一侧掺杂了负电荷,然后在波导上横向施加电压,以去除双光子吸收产生的电子-空穴对,防止它们吸收激光功率。
荣的创新设备利用了相同的五厘米长的硅,既用作红外激光器,又用作半导体二极管。他的硅激光器是一项重大进步,因为可以调制和斩波的连续光束为数字通信奠定了基础。完全由行业标准硅工艺制成的低成本光电器件仍然遥遥无期,但是这些激光器为我们期望看到光速信息处理技术发展成为现实奠定了基础。