科學家們長期以來一直致力於用矽製造雷射器。這項進展將使工程師能夠將電子和光學裝置都整合到廉價的矽晶片上，而不是被迫使用基於“奇異”半導體材料（如砷化鎵或磷化銦）的昂貴雷射器。矽雷射器可以帶來經濟實惠的基於光的系統，利用光子而不是電子來快速傳輸大量資料——速率達到每秒多千兆位元。加州大學洛杉磯分校和英特爾公司的兩個研究小組最近報告了在使矽發出連續雷射方面的成功。
儘管矽頑強地抵抗作為雷射介質，但這項備受期待的壯舉還是實現了。在良好的雷射材料中，被注入能量的電子會以相干光子的形式釋放能量。然而，在矽中，激發態電子更容易振動，從而產生熱量。“已經有很多嘗試，但以前沒有人能夠使矽產生雷射，”領導加州大學洛杉磯分校團隊的物理學家巴赫拉姆·賈拉利指出。
賈拉利和他的小組去年秋天透過巧妙地利用一些最初破壞矽作為雷射器適用性的振動解決了這個問題。特別是，他們專注於拉曼效應，即光在原子振動散射後波長變長的過程。加州大學洛杉磯分校的研究人員將散射光與來自另一個雷射器的泵浦能量相匹配，從而產生建設性的反饋，導致光得到淨放大。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關當今塑造我們世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
英特爾在幾個月後報告了自己在製造矽拉曼雷射器方面的成功。這家晶片製造商的科學家們將來自一個單獨的雷射器的光饋入一個波導（或光管）——基本上是一個工程師雕刻在15毫米見方的矽晶片上的S形脊——然後拉曼雷射就出現了。當然，這項任務並不容易。矽拉曼雷射器的功率通常會達到一個極限，因為光子會零星地與矽原子碰撞並釋放出自由電子。“不幸的是，自由電子雲會吸收和散射光，因此當你更用力地泵浦裝置時，你會得到遞減的回報，”英特爾光子技術實驗室主任馬里奧·帕尼奇亞解釋說。因此，該團隊在波導的兩側放置了兩個電極，形成了一種二極體。“在二極體兩端施加電壓就像真空吸塵器一樣吸走自由電子，”他說，從而保持光線流過晶片。
羅切斯特大學的電氣和計算機工程師菲利普·M·福謝特說：“這項研究和相關研究應該會帶來許多有用的應用。” 例如，透過矽連續產生的雷射束可以克服外科手術中可能使用的雷射器的成本和尺寸限制。該技術還可以檢測環境中微量的化學物質，干擾熱尋導彈的感測器或實現高頻寬（高容量）的光通訊。
展望未來，帕尼奇亞認為，這項新的雷射技術可以作為高頻寬光子裝置的構建模組，這些裝置幾乎完全由現有半導體代工廠和微加工設施中廉價的矽材料製成。他指出：“我們已經開發了這種系統的其他必要元件”，包括快速調製器（光學編碼器）、光導管和光電探測器。
當然，許多業內人士希望這項技術最終能夠實現全光計算機——在這種超高速數字系統中，光子而不是電子充當0和1。帕尼奇亞對最近的進展持樂觀態度：“這項工作不僅是一項科學突破，也是一項心理上的突破，因為沒有人認為它可以做到。”