研究人员打造由单根光纤驱动的多个高密度纳米激光阵列

当下，光学集成设备作为电子集成设备的替代品正日益受到关注。而小型光源的高密度集成及其高效的驱动和控制，则是光学技术的关键组成部分。不过，随着激光阵列密度的增加（或激光之间的间距变得更窄），在非常微小的空间内放置和驱动电极阵列的能力正迅速走向极限。近日，由韩国高丽大学（Korea University）光工程实验室的Kim－Myung－Ki教授领导的研究小组证明，密集集成的纳米激光阵列可以通过一个光波导端口完全驱动和编程，这一成果在光学集成电路和互连方面看起来非常有前景。具体来看，该团队使用转移打印技术在直径为2μm的光学超光纤上以2D和3D方式打印了多个激光间距为18μm的光子晶体纳米激光器，并控制泵浦光束的多种引导模式来选择性地驱动激光阵列。通过光／光波导端口驱动纳米激光阵列以往为了给激光阵列提供电流，必须为每个单独的激光引入一对电极，这导致了显著的芯片空间和能量消耗以及处理延迟。不过，这个关键的限制可以通过用光驱代替电驱动器来解决。与电子不同，光是一种波，可以形成自由的空间干涉图案。利用光的空间干涉图样作为激光阵列的驱动源，就可以实现超高密度的激光阵列源。Kim－Myung－Ki教授表示：“我们已经通过实验证明，密集打印在光学超纤上的三维纳米激光阵列可以通过泵浦光束通过同一光纤的可切换模态干涉来驱动和编程。”该团队的全光方法通过光沿着一根光纤传播来驱动多个高密度纳米激光阵列。“我们通过调整泵浦光束的偏振和脉冲宽度来编程干涉模式，”Kim表示，“并且观察到打印的纳米激光阵列可以完全由泵浦光束的模态干涉控制。然后我们用数值计算证实了我们的观察结果。”与传统的电驱动激光阵列相比，该团队在实验中能够通过消除大而复杂的电极来减小激光阵列的整体尺寸，并从根本上最大限度地减少了电极引起的热量产生和处理延迟。对高速／光学集成电路的需求提升互补金属氧化物半导体工艺的进步，使得晶体管的超大规模集成成为可能，半导体电子学正在帮助满足处理海量数据的需求。“随着半导体芯片变得越来越紧凑，制造过程变得越来越复杂和昂贵。而由于量子隧穿效应，这一技术正在接近物理极限——不可避免地会导致能量耗散，并限制了信息处理的带宽。”Kim表示。因此，光学集成电路正成为一种替代方案——用光取代电路中的电子。“这是一个集成系统，通过微芯片上的光来检测、生成、传输和处理信息。电子传输／互连是消耗大量能源并严重降低处理速度的主要因素。我们正专注于光互连的研究，用光取代这些电互连。”在芯片内部使用光波导而不是铜线，可以实现更高的带宽，同时在互连中产生更少的热量。挑战在于，随着集成电路的尺寸向纳米级推进，芯片级光学元件（激光器）必须高度集成，必须提供未来的解决方案来有效地驱动和控制它们。Kim说：“我们的工作为高密度激光阵列提供了一种新的解决方案，这对于光学互连的发展至关重要，并且可以成为光学集成电路未来发展的关键技术。”