耶鲁大学研究的新型硅激光器的技术核心与未来前景

美国耶鲁大学研发出一种使用声波放大光信号的新型硅激光器，该进展可显著扩展在硅光电电路中对光的控制能力。研究成果在6月8日发表

研究背景

近年来，对于将光纤光学和自由空间激光器等光子技术转化为小型光电集成电路的兴趣不断增加。使用光而非电来实现集成电路，其传输、处理信息的速度远超越传统电子器件。研究人员表示，由于可与现有微电子器件兼容，基于硅的硅光电和光子电路是这类技术的引领性平台之一。项目领导者、耶鲁大学应用物理副教授Peter Rakich说：“在过去的几年中，我们看到了硅光电技术领域的爆炸性增长。我们不仅开始看到这些技术进入商用产品领域，如帮助数据中心无误工作，也发现新的光电器件和技术将对在单个芯片上实现从生物感知到量子计算信息的所有事情都带来变革。对于这个领域而言，现在真是一个非常令人激动的时刻。”

面临挑战

研究人员表示需求的快速增长已经对新的硅激光器产生了迫切需求。但由于硅的非直接带隙，该问题在历史上一直难以解决。Rakich实验室的博士生、论文的第一作者Nils Otterstrom说：“尽管对于很多芯片级光子技术非常有用，硅的本质属性使其使用电流产生激光极其困难。该问题已困扰科学家超过10年的时间。要解决这个问题，我们需要找到其他方法来放大芯片上的光。在此次研究中，我们使用了光和声波的组合。”

此前进展

2016年6月，Rakich所领导的研究团队发现了一种能够用声波放大硅芯片上光强的新波导系统，研究成果发表在《自然光电》上。该波导可将光和声都限制在硅上，具备可精确控制光和声相互作用的能力，可以一种新的此前从未实现过的方式来控制和处理信息。

图为波导结构示意图

技术核心

要使用声波放大光，硅激光器使用的是由Rakich实验室所研发的特殊结构。Rakich说：“这本质上是一个纳米级波导，该波导设计用于严格限制光和声波，并使他们之间的相互作用最大化。”Rakich实验室另一位研究生、论文的共同作者Eric Kittlaus说：“该波导的独特性在于有两个不同的传输通道用于光传播。这使得我们可以定义光声耦合的形状，进而实现非常健壮和灵活的激光器设计。”

激光器设计将放大的光限制在跑道形状中，在环行运动中捕获光。Otterstrom说：“跑道设计是创新的重要一部分。通过这种方法，我们能够放大光的幅度，提供发生激射所需的反馈。”

Otterstrom表示，在研发新的激光器有两个主要挑战。“首先是设计和制造一个器件，其放大超过损失，然后得到有违直觉的动态范围。我们观察到的是，尽管该系统是明确的一个光电激光器，同样也产生非常连贯的超音速波。”

进展意义

研究人员解释，如果不使用这种结构，使用声波进行的光放大将不可能在硅中实现。Rakich说：“我们所采用的光-声相互作用此前并不真实存在这些光电路中，我们已经将其转化为在硅中的最强放大机制。现在，我们能够将其用于几种新的类型激光器技术中，这些技术中的任何一个在10年前都不存在。”

潜在应用

研究团队表示这些特性可能带来大量潜在应用，从集成振荡器到新编/解码方法。论文作者之一、北亚利桑那大学助教、前Rakich实验室成员之一Ryan Behunin说：“使用硅，我们能够设计产生大量激光器，每个都有独特的动态范围和潜在应用。这些成果能够显著扩展我们在硅光电电路中控制和规范光的能力。”