光子、電子和矽

矽雷射器實現光學和電子學的整合

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雷射器已成為即使是最平凡的任務也必不可少的工具,從突出顯示PowerPoint簡報到刻錄音樂CD。雷射器對於沿光纖進行高速通訊也至關重要,光纖具有比銅線中的電傳輸更大的頻寬和更少的串擾。最近,科學家們開發了由矽製成的雷射器,這是開發高速晶片的重要第一步,這些晶片將光速通訊與矽電子學的處理能力完全整合在一起。

隨著CPU處理速度的提高,CPU內部以及平行計算的快速晶片間通訊對近乎瞬時的時鐘同步的需求也在增加。積體電路產業植根於矽技術。任何可以用矽製造的東西都可以用亞微米尺寸和巨大的產量製造出來,並且具有很高的可靠性。但是矽的電子特性阻止了它像傳統雷射器一樣工作。這種材料具有“間接帶隙”,這意味著電子無法透過直接從一個能級下降到另一個能級來發射光子。直到最近,固態雷射器才由直接帶隙材料製成,例如砷化鎵(GaAs),它可以按所需方式噴射出光子。在GaAs器件和矽系統之間建立介面非常困難,並且結果很難重現以滿足行業規範。

然而,一種稱為拉曼散射的技術克服了這個問題。該過程始於電子首先吸收光子。然後,受激電子透過發射聲子(矽晶格晶體的振動)和能量低於吸收光子的光子來“散射”能量。在2004年10月,加州大學洛杉磯分校的兩名工程師奧茲達爾·博伊拉茲巴赫拉姆·賈拉利宣佈,他們已經演示了第一個矽拉曼雷射器。它是一種紅外裝置,發射脈衝,每個脈衝持續25萬億分之一秒,遠短於它們之間的間隔。短脈衝是必要的,因為存在雙光子吸收效應。矽原子可以同時吸收兩個光子,從而產生一個電子和一個空穴(缺少電子)。電子-空穴對在材料中保留很長時間,吸收功率並削弱雷射放大。拉曼雷射器中脈衝之間的長間隔使電子和空穴能夠消散。


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2月份,英特爾的海升·榮和他的同事在《自然》雜誌上發表了一篇論文,詳細介紹了連續輸出矽雷射器的構造,該雷射器以不同的方式解決了雙光子吸收效應。他們的裝置是一個五釐米長的S形矽波導,巧妙地避開了這個問題。榮使用了經典的矽器件,即PIN二極體。他在波導的一側摻雜了正電荷,另一側摻雜了負電荷,然後在波導上橫向施加電壓,以去除雙光子吸收產生的電子-空穴對,防止它們吸收雷射功率。

榮的創新裝置利用了相同的五釐米長的矽,既用作紅外雷射器,又用作半導體二極體。他的矽雷射器是一項重大進步,因為可以調製和斬波的連續光束為數字通訊奠定了基礎。完全由行業標準矽工藝製成的低成本光電器件仍然遙遙無期,但是這些雷射器為我們期望看到光速資訊處理技術發展成為現實奠定了基礎。

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