納米激光器迎重大突破，未來手機、數據中心或將更快更節能

近日，丹麥技術大學（DTU）的研究人員開發出一種新型納米激光器，或成為實現運算速度更快、能效更高的計算機、手機及數據中心的關鍵。這項納米激光器的研究成果發表在《科學進展》（Science Advances）期刊上。

該論文詳細介紹了這種納米激光器的制造工藝與結構：該器件是在一個厚度為250納米的磷化銦（InP）薄膜內制備而成，該薄膜嵌入了三層銦鎵砷磷（InGaAsP）量子阱。首先，將磷化銦晶圓通過倒裝鍵合技術固定在硅/二氧化硅（Si/SiO₂）襯底上。隨后，通過去除磷化銦襯底及一層銦鎵砷（InGaAs）腐蝕停止層，最終形成激光器薄膜。

研究人員發明了一種在半導體薄膜上構建的納米激光器，能使電子和光聚集在一個微小區域（藍色陰影內）。通過在微芯片上使用光信號而非電信號，可以提高數據傳輸速度并減少能量損耗。這款基于極端介電約束原理的納米激光器示意圖顯示，在光學泵浦條件下，一束聚焦的高斯光束（紅光）照射在極端介電約束（EDC）激光器上，產生一個區域（藍色陰影），激發后的載流子在此匯聚，從而增強了與光腔場（亮點）的空間重疊

電子束光刻技術
論文進一步闡述道：首先在晶圓上沉積一層氮化硅（SiNx）薄膜，隨后旋涂光刻膠。接著利用電子束光刻技術對結構進行圖形化定義。該圖形先被轉移至氮化硅硬掩模層，再通過兩步半導體刻蝕工藝最終轉移至磷化銦（InP）層。

刻蝕完成后，樣品需經過鈍化處理：先將其浸入氫氧化銨溶液中去除非晶圓表面的氧化層，然后在金屬有機物氣相外延（MOVPE）反應腔中進行退火處理，以修復并密封量子阱（QW）。退火工藝結束后，結構被薄膜化，并通過原子層沉積技術覆蓋一層三氧化二鋁（Al₂O₃）封裝層。

這項技術預示著未來可在單個微芯片上集成數千個新型納米激光器，從而開啟一個不再依賴電信號，而是利用光粒子——光子進行數據傳輸的數字未來。

丹麥技術大學教授、該論文的合著者Jesper Mørk表示，納米激光器為我們創造了開發兼具高性能與極小尺寸的新一代元器件的可能性。例如在信息技術領域，超小型、高能效的納米激光器可以降低計算機的能耗；在醫療保健領域的傳感器開發中，納米激光器極高的光聚焦能力則能實現高分辨率成像和超靈敏生物傳感。

能耗減半
丹麥技術大學在官方公告中指出：通過利用納米激光器將光直接引入微芯片內部，未來的數字技術有望實現運算速度更快、設備溫度更低、且更具環境友好性。這是因為納米激光器能夠高效產生光信號，并幾乎做到無損傳輸。在計算機領域，Mørk教授預計納米激光器可使能耗降低一半。

這款納米激光器是在DTU的潔凈室DTU Nanolab中研制成功的。據Mørk介紹，它打破了傳統觀念中激光器尺寸的極限。該激光器基于一種名為“納米腔”的光約束結構，能將光極強地聚焦在一個極小區域內，而以往這樣的設計被認為是不可行的。

當研究人員用光束照射該激光器時，光和電子都匯聚在一個微觀區域內，這使得激光器能在室溫下以極低的能耗運行。DTU研究團隊采用的這種光約束結構最初由DTU建筑與機械學院的Ole Sigmund教授團隊設計。

DTU團隊表示，如果未來能夠實現納米激光器的電泵浦驅動——這將是下一個重大研究挑戰——那么它將可能引發眾多技術的革命。屆時，計算機和智能手機不僅能效大幅提升，性能也將更強；數據中心則能顯著降低能耗，從而為應對氣候變化做出重大貢獻。

在醫療技術領域，納米激光器將推動超靈敏傳感器和高分辨率成像系統的開發。研究人員預計，最后的技術難題有望在未來五到十年內得到解決。