莫斯科物理技術學院和倫(lun) 敦國王學院的研究人員清除了阻礙創建用於(yu) 集成電路的電驅動納米激光的障礙。在最近發表在《納米光子學》上的一篇論文中報道了這種方法，該方法可以使相幹光源設計的規模不僅(jin) 比人發的厚度小數百倍，而且還比激光器發出的光的波長小。這為(wei) 有望在不久的將來出現的許多核心微處理器中的超快速光學數據傳(chuan) 輸奠定了基礎。

光信號在1980年代徹底改變了信息技術，當時光纖開始取代銅線，使數據傳(chuan) 輸速度提高了幾個(ge) 數量級。由於(yu) 光通信依賴於(yu) 光(頻率為(wei) 數百太赫茲(zi) 的電磁波)，因此它允許通過單根光纖每秒傳(chuan) 輸數TB的數據，大大優(you) 於(yu) 電互連。

光纖是現代互聯網的基礎，但是光可以為(wei) 我們(men) 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(nei) 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。結果，大量信息幾乎可以立即在整個(ge) 芯片上傳(chuan) 輸。

擺脫數據傳(chuan) 輸的限製，可以通過堆疊更多的處理器內(nei) 核來直接提高微處理器性能，以至於(yu) 創建一個(ge) 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(ti) 行業(ye) 巨頭IBM，HP，Intel，Oracle等。反過來，這將有可能在單個(ge) 芯片上設計出真正的超級計算機。

挑戰是在納米級連接光學和電子設備。為(wei) 了實現這一點，光學組件不能大於(yu) 數百納米，這比人的頭發寬度小約100倍。此大小限製也適用於(yu) 片上激光器，這對於(yu) 將信息從(cong) 電信號轉換為(wei) 承載數據位的光脈衝(chong) 是必需的。

然而，光是一種具有數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(ti) 積。它不能小於(yu) 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製，即衍射極限。解決(jue) 方案是用表麵等離激元極化子或SPP代替光子。

SPP是局限在金屬表麵並與(yu) 周圍電磁場相互作用的電子的集體(ti) 振動。隻有少數幾種稱為(wei) 等離子金屬的金屬可與(yu) 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(men) 的定位要好得多-也就是說，它們(men) 占用的空間較小。使用SPP代替光子可以“壓縮”光，從(cong) 而克服衍射極限。

使用當前技術已經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(men) 必須被外部的大功率和高功率激光照射。這對於(yu) 科學實驗可能很方便，但不在實驗室之外。打算用於(yu) 大規模生產(chan) 和實際應用的電子芯片必須結合數百個(ge) 納米激光，並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(wei) 止，由於(yu) 通常無法維持液氮冷卻，因此此類激光器僅(jin) 可用作在低溫下運行的設備，不適用於(yu) 大多數實際應用。

莫斯科物理與(yu) 技術研究所(MIPT)和倫(lun) 敦國王學院的物理學家提出了一種替代傳(chuan) 統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，鉻或類似金屬製成的歐姆接觸。此外，該接觸必須是諧振器的一部分，即產(chan) 生激光輻射的體(ti) 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並且容易過熱。這就是為(wei) 什麽(me) 需要低溫冷卻以及隨之而來的所有不便之處。

提出的用於(yu) 電泵的新方案基於(yu) 具有隧道肖特基接觸的雙異質結構。這使得與(yu) 其強吸收金屬的歐姆接觸變得多餘(yu) 。現在，泵浦發生在等離子金屬與(yu) 半導體(ti) 之間的界麵上，SPP沿著該界麵傳(chuan) 播。“我們(men) 新穎的泵浦方法可以將電驅動激光器帶到納米級，同時保持其在室溫下運行的能力。與(yu) 此同時，與(yu) 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(ge) 維度上都比其發射的光的波長小。此外，納米激光中SPP所占據的體(ti) 積比立方光的波長小30倍。根據研究人員的說法，他們(men) 的室溫等離子體(ti) 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(wei) 代價(jia) 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於(yu) 片上集成電路，但是對於(yu) 化學和生物傳(chuan) 感器以及近場光學光譜學或光遺傳(chuan) 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(yu) 更大的光子激光器相媲美。如此高的輸出功率允許每個(ge) 納米激光每秒傳(chuan) 輸數百吉比特，從(cong) 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(hui) 發明的一些小工具。