物理学家使电子纳米激光变得更小

naichabei1个月前科学与科技12

莫斯科物理技术学院和伦敦国王学院的研究人员清除了阻碍创建用于集成电路的电驱动纳米激光的障碍。在最近的《纳米光子学》(Nanophotonics)论文中报道了这种方法,该方法可以使相干光源设计的规模不仅比人发的厚度小数百倍,而且还比激光器发出的光的波长小。这为有望在不久的将来出现的许多核心微处理器中的超快速光学数据传输奠定了基础。


1-physicistsma.jpg

光信号在1980年代彻底改变了信息技术,当时光纤开始代替铜线,使数据传输速度提高了几个数量级。由于光通信依赖于光(频率为数百太赫兹的电磁波),因此它允许通过单根光纤每秒传输数TB的数据,大大优于电互连。


光纤是现代互联网的基础,但是光可以为我们做更多的事情。它甚至可以在超级计算机,工作站,智能手机和其他设备的微处理器内部实施。这要求使用光通信线来互连纯电子组件,例如处理器核心。结果,大量信息几乎可以立即在整个芯片上传输。


摆脱数据传输的限制,可以通过堆叠更多的处理器内核来直接提高微处理器性能,以至于创建一个1,000核处理器,其速度实际上是其10核处理器的100倍。半导体行业巨头IBM,HP,Intel,Oracle等。反过来,这将使在单个芯片上设计真正的超级计算机成为可能。


挑战是在纳米级连接光学和电子设备。为了实现这一点,光学组件不能大于数百纳米,这是比人类头发的宽度小约100倍。此大小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位的光脉冲是必不可少的。


然而,光是一种具有数百纳米波长的电磁辐射。量子不确定性原理说,可以将光粒子或光子定位在一定的最小体积内。它不能小于波长的立方。简而言之,如果使激光太小,光子将无法容纳其中。就是说,有种方法可以绕开光学器件尺寸的限制,即衍射极限。解决方案是用表面等离激元极化子或SPP代替光子。



 

SPP是电子的集体振动,其局限于金属表面并与周围的电磁场相互作用。只有少数几种称为等离子金属的金属可与SPP配合使用:金,银,铜和铝。就像光子一样,SPP是电磁波,但在相同的频率下,它们的定位要好得多-也就是说,它们占用的空间较小。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,这些纳米激光是被光泵浦的,也就是说,它们必须用外部的大功率和高功率激光器进行照明。对于科学实验,这可能很方便,但不在实验室之外。打算用于大规模生产和实际应用的电子芯片必须结合数百个纳米激光,并在普通的印刷电路板上运行。实际的激光器需要电泵浦,或者换句话说,由普通电池或直流电源供电。到目前为止,由于通常无法维持液氮冷却,因此此类激光器仅可用作在低温下运行的设备,不适用于大多数实际应用。


莫斯科物理与技术研究所(MIPT)和伦敦国王学院的物理学家提出了一种替代传统方式的电泵工作的方法。通常,纳米级激光器的电泵方案需要由钛,铬或类似金属制成的欧姆接触。此外,该接触必须是谐振器的一部分,即产生激光辐射的体积。这样的问题是钛和铬强烈吸收光,这损害了谐振器的性能。这样的激光器具有高的泵浦电流并且容易过热。这就是为什么需要低温冷却以及随之而来的所有不便之处。


提出的用于电泵的新方案基于具有隧道肖特基接触的双异质结构。它使欧姆接触及其强吸收金属变得多余。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。“我们的新型泵浦方法可以将电动激光器带到纳米级,同时保持其在室温下运行的能力。与此同时,与其他电动泵浦纳米激光器不同,辐射可以有效地导向光子或等离子体波导,使纳米激光适合集成电路。”来自MIPT的光子学和二维材料中心的Dmitry Fedyanin博士评论道。


研究人员提出的等离子纳米激光在其三个维度上都比其发射的光的波长小。此外,纳米激光中SPP所占据的体积比立方光的波长小30倍。据研究人员称,他们的室温等离子体纳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,但这是以无法有效地将辐射提取到总线波导中为代价的。因此,尽管进一步的小型化将使得该装置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学光谱学或光遗传学来说仍然是方便的。


尽管具有纳米级尺寸,但纳米激光的预测输出功率总计超过100微瓦,可与更大的光子激光器相媲美。如此高的输出功率允许每个纳米激光每秒用于传输数百吉比特,从而消除了高性能微芯片的最大障碍之一。其中包括各种高端计算设备:超级计算机处理器,图形处理器,甚至将来还会发明的一些小工具。


相关文章

摄氏170度的液态水:X射线激光显示超快速加热时的异常动力学

摄氏170度的液态水:X射线激光显示超快速加热时的异常动力学

一个研究小组使用X射线激光欧洲XFEL研究了极端条件下水是如何加热的。在此过程中,科学家们甚至可以观察到即使在170摄氏度以上的温度下仍保持液态的水。调查显示在这些条件下水的动态行为异常。这项研究的结...

索尼是智能手机领域的主要参与者,拥有一个新的旗舰产品:Xperia 5 II

索尼是智能手机领域的主要参与者,拥有一个新的旗舰产品:Xperia 5 II

索尼希望重新夺回在中国和韩国所失去的市场,今天发布了其最新的旗舰智能手机:899欧元的Xperia 5 II。索尼曾经是最早落后于Android的公司之一,并推出了一系列因其设计和功能而备受喜爱的智能...

金刚石中三重态自旋超导的发现

金刚石中三重态自旋超导的发现

钻石它们的许多特性通常可以充当质量,清晰度和硬度的最高级。除了这种稀有材料在装饰和装饰用途中的流行外,这些宝石在工业中也被高度重视,它们被用于切割和抛光其他硬质材料并制造辐射探测器。十多年前,当金刚石...

天文学家在金星的云层中发现一种气体,可以预示外星生命

天文学家在金星的云层中发现一种气体,可以预示外星生命

金星富含二氧化碳的大气层和高温使该行星的表面不适合生命。但是新的研究表明,金星周围的云层可能具有微生物的生命。一项新的研究在金星云的上游发现了磷化氢(一种通常由地球上的厌氧性微生物产生的气体)的痕迹。...

猫识别并模仿人类行为的证据

猫识别并模仿人类行为的证据

布达佩斯埃特沃斯洛兰德大学人类学系的一小组研究人员观察到一个家猫识别并模仿人类行为的实例。该小组撰写了一篇描述他们的观察结果的论文,并将其发表在《动物认知》杂志上。几乎没有人模仿人类的行为,只有逆戟鲸...

IonQ宣布开发下一代量子计算机

IonQ宣布开发下一代量子计算机

总部位于马里兰州大学公园市的IonQ量子计算硬件和软件公司宣布已推出其下一代量子计算机。作为其公告的一部分,该公司声称其新机器是迄今为止基于IBM量子体积度量标准构建的功能最强大的量子计算机。该公司还...