作者：Jason Palmer

研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了可在室溫下運(yùn)轉(zhuǎn)的、工作在電信波段的最小連續(xù)光激光器，并且這些激光器不存在激光閾值。這一研究結(jié)果對(duì)于片上（on-chip）光通信具有重要意義，如果能將其集成到硅兼容平臺(tái)，那么該結(jié)果對(duì)于整個(gè)通信行業(yè)都具有更為深遠(yuǎn)的影響。

美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）的研究人員，已經(jīng)著手開(kāi)發(fā)接近“終極納米激光器”——這是一種可尺寸可擴(kuò)展、低閾值、高效、室溫運(yùn)轉(zhuǎn)的納米尺度級(jí)激光器。研究人員表示，目前最好的納米激光器的主要缺陷在于閾值。^[1]

    加州大學(xué)圣地亞哥分校的Mercedeh Khajavikhan表示：“對(duì)于亞波長(zhǎng)諧振腔而言，其損耗主要來(lái)自金屬損耗，而像散射（在更小的激光器中由于更高的表體比，散射會(huì)更高）等其他損耗并不起主導(dǎo)作用。因此，要超過(guò)激光閾值則需要極高的泵浦功率。由于金屬損耗高，以前大多數(shù)納米激光器的設(shè)計(jì)，均采用類似于常規(guī)納米亞波長(zhǎng)激光器的設(shè)計(jì)以獲得空間光受限，這樣可以避免光場(chǎng)聚集到金屬附近。我們的目標(biāo)是獲得一種尺寸可調(diào)的微型化激光器結(jié)構(gòu)。”

Khajavikhan解釋說(shuō)，加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究小組采取不同于以往的小型激光器設(shè)計(jì)方法，而是采用了一種納米尺度的同軸型諧振腔。電氣工程師們對(duì)該結(jié)構(gòu)非常熟悉，并且其在微波領(lǐng)域廣泛用于傳輸線。同軸諧振腔之所以適用于納米激光器，是因?yàn)椴还艹叽缍嘈�，該結(jié)構(gòu)僅支持單個(gè)電磁橫模。因此Khajavikhan稱“它們是極小尺寸亞波長(zhǎng)激光器的理想選擇”。

該研究小組制作了大量100nm和175nm的激光諧振腔，每個(gè)諧振腔都有一個(gè)中心金屬棒，金屬棒周圍依次環(huán)繞空氣、銦鎵砷磷和硅。整個(gè)諧振腔封裝在銀/鋁合金內(nèi)。空氣和硅“填塞物”用于增強(qiáng)模受限。該激光器采用商用的1064nm激光器進(jìn)行光學(xué)泵浦。

圖：同軸納米激光器的結(jié)構(gòu)示意圖（a）以及模場(chǎng)分布（b和d）。（c）圖顯示了該納米激光器的掃描電子顯微圖像。

納米尺寸設(shè)計(jì)起到兩個(gè)作用。首先，在納秒量級(jí)的小尺寸下，腔量子電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)能夠?qū)⑷魏巫园l(fā)發(fā)射直接耦合到激光模式。此外，限定激光的橫向電磁模式尺寸僅為發(fā)射激光波長(zhǎng)的1/15。

研究人員對(duì)1260~1590nm之間的輸出模式進(jìn)行成像，以顯示它們的橫向電磁模式特征。此外，這些裝置能夠?qū)?span lang="EN-US">99%的自發(fā)發(fā)射耦合到激光模式。

該研究小組非常清楚這種無(wú)閾值激光器將擁有多種應(yīng)用前景，因此研究人員正致力于實(shí)現(xiàn)用電泵浦以取代光泵浦。Khajavikhan表示：“認(rèn)識(shí)到這些裝置的廣闊前景之后，我們的目標(biāo)并僅僅局限于實(shí)現(xiàn)電泵浦。”

接下來(lái)的應(yīng)用包括限制顯著減少的片上光路由。Khajavikhan指出：“由于不存在閾值，這些激光器裝置可以快速調(diào)制，因此其有望成為將來(lái)電信器件的關(guān)鍵部分。”

該研究小組還有設(shè)想排列相位控制的納米激光器陣列，以獲得可以對(duì)光束進(jìn)行任意整形的微型激光器，或者將激光器用于高產(chǎn)量傳感及光譜系統(tǒng)。該小組的另一位研究人員Shaya Fainman表示：“我們認(rèn)為，該納米激光器只是開(kāi)發(fā)性能優(yōu)異的光源新家族的一個(gè)開(kāi)始，在這個(gè)領(lǐng)域?qū)��?huì)有更多新進(jìn)展即將涌現(xiàn)。”

參考文獻(xiàn)
1. M. Khajavikhan et al., Nature (2012); doi:10.1038/nature10840.