德克薩斯州立大學(xué)的物理學(xué)家與中國的同行合作，研制出了世界上最小的半導(dǎo)體激光發(fā)射器?！禨cience》雜志上將發(fā)表他們的研究成果。研究者們介紹，要研制更快、更小、更節(jié)能的光子發(fā)射器，最關(guān)鍵的是要實現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的微型化。這項技術(shù)可應(yīng)用于超級計算機芯片、高敏感度生物傳感器、疾病的治療與研究以及下一代通信技術(shù)的研發(fā)等多個領(lǐng)域。

普通的光電子器件利用納米發(fā)射器產(chǎn)生光信號來傳遞信息，它們已具備替代傳統(tǒng)電子電路的潛力。但是，光電子器件的尺寸和性能卻受到了“三維光學(xué)衍射極限”的限制。

插圖中顯示的即為超低閾值納米發(fā)射器的結(jié)構(gòu)。獨立的納米棒放置在約28nm厚的薄銀層上。5 nm厚、夾在納米棒和銀膜之間的二氧化硅絕緣層可產(chǎn)生共振電磁場。

不過，德克薩斯州立大學(xué)物理系Chih-Kang “Ken” Shih教授帶領(lǐng)他的團隊實現(xiàn)了突破。 “我們研發(fā)出了能在低于三維衍射極限下良好運轉(zhuǎn)的納米激光發(fā)射器” 他說，“我們相信這項成果會給納米科技帶來巨大影響。”最近發(fā)表的文章中，Shih教授和同事們首次報道了低于三維衍射極限的連續(xù)波。發(fā)射時，納米激光器會發(fā)出綠色的光，極細的激光已經(jīng)達到肉眼難辨的水平。

這種新型元件是由摻雜了氮化銦鎵的氮化鎵異質(zhì)納米棒制成。此兩種合金通常應(yīng)用于LED燈中。在發(fā)射器內(nèi)部，納米棒放置在薄的絕緣硅層上，而硅層的另一面是一層原子級光滑的銀。

Shih教授的實驗室耗費了15年來完善這種材料。“光滑到原子級別”是保證發(fā)射光不分散、等離子體激元不逃逸的關(guān)鍵。所謂等離子體激元是指可承載大量信息的電子波。“原子級光滑的激元結(jié)構(gòu)是減少數(shù)據(jù)遺失的功臣。”Shih教授這樣說。

物理系研究生Charlotte Sanders參與了世界最小納米激光發(fā)射器的研發(fā)工作。她身邊的分子束外延機正是由她自己設(shè)計、并在Jisun Kim博士的協(xié)助下建造而成。這臺機器用于制造發(fā)射器中最為關(guān)鍵的銀薄層。圖片來源：Alex Wang.

納米激光發(fā)射器的面世無疑將推動芯片通信的發(fā)展。在芯片通信中，所有的信息都包含在芯片上。采用新型發(fā)射器后，電子元件的產(chǎn)熱問題可以杜絕。另外，還可避免芯片間傳遞信息時數(shù)據(jù)的丟失。

臺灣清華大學(xué)的郭尚志(音譯)教授指出：“電子和光子大小不匹配曾是實現(xiàn)芯片計算和光電通信的巨大障礙。”郭教授曾是Shih教授的博士生。另外德克薩斯州立大學(xué)物理系的Gennady Shvets教授、臺灣清華大學(xué)的陳力俊(音譯)教授也參與到此項研究中。