世界最小纳米激光发射器问世 将推动芯片通信

德克萨斯州立大学的物理学家与中国的同行合作，研制出了世界上最小的半导体激光发射器。《Science》杂志上将发表他们的研究成果。研究者们介绍，要研制更快、更小、更节能的光子发射器，最关键的是要实现半导体激光器的微型化。这项技术可应用于超级计算机芯片、高敏感度生物传感器、疾病的治疗与研究以及下一代通信技术的研发等多个领域。

普通的光电子器件利用纳米发射器产生光信号来传递信息，它们已具备替代传统电子电路的潜力。但是，光电子器件的尺寸和性能却受到了“三维光学衍射极限”的限制。

插图中显示的即为超低阈值纳米发射器的结构。独立的纳米棒放置在约28nm厚的薄银层上。5 nm厚、夹在纳米棒和银膜之间的二氧化硅绝缘层可产生共振电磁场。

不过，德克萨斯州立大学物理系Chih-Kang “Ken” Shih教授带领他的团队实现了突破。 “我们研发出了能在低于三维衍射极限下良好运转的纳米激光发射器” 他说，“我们相信这项成果会给纳米科技带来巨大影响。”最近发表的文章中，Shih教授和同事们首次报道了低于三维衍射极限的连续波。发射时，纳米激光器会发出绿色的光，极细的激光已经达到肉眼难辨的水平。

这种新型元件是由掺杂了氮化铟镓的氮化镓异质纳米棒制成。此两种合金通常应用于LED灯中。在发射器内部，纳米棒放置在薄的绝缘硅层上，而硅层的另一面是一层原子级光滑的银。

Shih教授的实验室耗费了15年来完善这种材料。“光滑到原子级别”是保证发射光不分散、等离子体激元不逃逸的关键。所谓等离子体激元是指可承载大量信息的电子波。“原子级光滑的激元结构是减少数据遗失的功臣。”Shih教授这样说。

物理系研究生Charlotte Sanders参与了世界最小纳米激光发射器的研发工作。她身边的分子束外延机正是由她自己设计、并在Jisun Kim博士的协助下建造而成。这台机器用于制造发射器中最为关键的银薄层。图片来源：Alex Wang.

纳米激光发射器的面世无疑将推动芯片通信的发展。在芯片通信中，所有的信息都包含在芯片上。采用新型发射器后，电子元件的产热问题可以杜绝。另外，还可避免芯片间传递信息时数据的丢失。

台湾清华大学的郭尚志(音译)教授指出：“电子和光子大小不匹配曾是实现芯片计算和光电通信的巨大障碍。”郭教授曾是Shih教授的博士生。另外德克萨斯州立大学物理系的Gennady Shvets教授、台湾清华大学的陈力俊(音译)教授也参与到此项研究中。