作者：Jason Palmer

研究人員已經(jīng)開發(fā)出了可在室溫下運轉的、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。這一研究結果對于片上（on-chip）光通信具有重要意義，如果能將其集成到硅兼容平臺，那么該結果對于整個通信行業(yè)都具有更為深遠的影響。

美國加州大學圣地亞哥分校（UCSD）的研究人員，已經(jīng)著手開發(fā)接近“終極納米激光器”——這是一種可尺寸可擴展、低閾值、高效、室溫運轉的納米尺度級激光器。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]

    加州大學圣地亞哥分校的Mercedeh Khajavikhan表示：“對于亞波長諧振腔而言，其損耗主要來自金屬損耗，而像散射（在更小的激光器中由于更高的表體比，散射會更高）等其他損耗并不起主導作用。因此，要超過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)納米激光器的設計，均采用類似于常規(guī)納米亞波長激光器的設計以獲得空間光受限，這樣可以避免光場聚集到金屬附近。我們的目標是獲得一種尺寸可調的微型化激光器結構。”

Khajavikhan解釋說，加州大學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計方法，而是采用了一種納米尺度的同軸型諧振腔。電氣工程師們對該結構非常熟悉，并且其在微波領域廣泛用于傳輸線。同軸諧振腔之所以適用于納米激光器，是因為不管尺寸多小，該結構僅支持單個電磁橫模。因此Khajavikhan稱“它們是極小尺寸亞波長激光器的理想選擇”。

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

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

納米尺寸設計起到兩個作用。首先，在納秒量級的小尺寸下，腔量子電動力學效應能夠將任何自發(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)射激光波長的1/15。

研究人員對1260~1590nm之間的輸出模式進行成像，以顯示它們的橫向電磁模式特征。此外，這些裝置能夠將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閾值激光器將擁有多種應用前景，因此研究人員正致力于實現(xiàn)用電泵浦以取代光泵浦。Khajavikhan表示：“認識到這些裝置的廣闊前景之后，我們的目標并僅僅局限于實現(xiàn)電泵浦。”

接下來的應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制，因此其有望成為將來電信器件的關鍵部分。”

該研究小組還有設想排列相位控制的納米激光器陣列，以獲得可以對光束進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：“我們認為，該納米激光器只是開發(fā)性能優(yōu)異的光源新家族的一個開始，在這個領域將會有更多新進展即將涌現(xiàn)。”

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