【積體光路系列十三】奈米雷射簡介

圖片來源:Lu, Yu-Jung, et al. "All-color plasmonic nanolasers with ultralow thresholds: autotuning mechanism for single-mode lasing." Nano letters 14.8 (2014): 4381-4388.

在光學通訊或光學運算晶片上,光源是最不可或缺的元件,光的產生通常來自雷射 (雷射工作原理我們曾在雷射系列介紹過) 。如同積體電路一般,所有光學晶片上的元件都希望能越小越好,因此「奈米雷射(nanolaser)」便成為這個領域發展的重點目標之一。

撰文|方程毅

●為什麼需要奈米雷射?把雷射體積縮小有什麼好處?

將體積縮小最直觀的好處就是晶片上的元件數量變多。但雷射奈米化還有另一個優勢:頻寬(bandwidth)增加:運算晶片最重要的事情就是製造0跟1,我們曾在” 積體光路系列七─光學調變器”介紹過此觀念。該文介紹的光學調變器是將一道已發出的雷射光進行調變(Modulate),但調變不一定需要額外光學元件,雷射光本身即可進行調變,藉由改變加於雷射電壓的大小,讓發出光的強度有所變化,便可以製造運算所需的0與1。直接調變雷射或是利用額外元件調變各有優缺點,這裡不多贅述。但是將元件縮小可以讓調變的速度增加,意指0跟1的轉換更快速,讓單位時間內可以容納的位元變多,頻寬也隨之增加。(其理由是RC時間延遲https://en.wikipedia.org/wiki/RC_time_constant)。總結來說,奈米雷射擁有兩個好處:晶片上容納元件密度變多以及頻寬增加。

將雷射縮小並不是近年來為了發展光學晶片才產生的想法,早在1980年代,”垂直腔面發射雷射器”(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,簡稱VCSEL)問世時,這股趨勢便已成形。”垂直腔面發射雷射器”是光纖通訊中重要的元件,其尺寸約為數十至數百微米(Micrometer, µm)。製造微米等級的雷射沒什麼大問題,一般來說,用於通訊的光波長約在1微米(µm)左右,因此當雷射大小還在為數十至數百微米時,其尺寸遠大於光學波長,製造雷射共振腔相對容易,但當雷射逐漸縮小到與光學波長相當或甚至小於波長時,問題就出現了。

●光學共振腔

雷射的本質是共振腔,共振腔能將能量保留於其內。(詳見:雷射系列二:如何產生雷射?)。但當共振腔變小到跟波長相當甚至小於波長時,一般型態的共振腔便無法在將能量保留其內了。以半導體雷射來說,共振腔本體是半導體材料,例如:砷化鎵(GaAs)或銦砷化鎵(InGaAs),視需求做成不同的形狀。但要發展奈米雷射,這樣的尺寸需求,無論什麼形狀的半導體都已無法形成有效的共振腔。

要解決這個問題必須使用金屬,其中以金跟銀最常被使用。使用金屬的原因為金屬具有表面電漿特性(Surface plasma),能夠將能量聚集在一個非常小的尺度,實際的物理機制難以用三言兩語解釋清楚,如果讀者有未來有機會進入相關領域再來好好研讀吧。本文將用一個例子做個簡介。本文圖是可以發出不同波段可見光的奈米雷射,雷射材料是氮化銦鎵(InxGa1-x N),為棒狀(nanorod),長度大約100-250奈米,半徑15-25奈米。在奈米棒的下方是一層氧化鋁(Al2O3)薄膜,其下是一層銀箔膜,整個元件被製作在一片矽晶圓上,銀薄膜有助於將能量聚集在奈米棒下的氧化鋁薄膜形成共振腔。此項研究可見於2014年Nano Letters期刊中。

●如果棒狀氮化銦鎵的尺度遠大於波長會怎樣?

如果棒狀氮化銦鎵尺寸是數百微米等級,那棒子本身就已經是共振腔了,根本不需要銀薄膜的幫忙

●雷射的激發源及增益材料又分別是什麼?

激發源是另一道光,這裡介紹的奈米雷射屬於光激發。增益材料為氮化銦鎵(InxGa1-x N),改變x可以改變發光波長。

●這種奈米雷射有實際用途嗎?

目前所有的奈米雷射,沒有任何一個具有實用性。它們都還在學術研究階段,距離實際成為產品還早得很。

奈米雷射在目前僅只是個夢想,雖然諸多研團體努力不懈的投入研發,目前還未能真正應用,且讓我們期待將來的有一天這會是日常生活的一部分吧。

 

參考資料:Lu, C.Wang, J. Kim, H. Chen, M. Lu, Y. Chen,W. Chang, L. Chen, M. I. Stockman, and C. Shih, “All-color plasmonic nanolasers with ultralow thresholds: Autotuning mechanism for single-mode lasing,” Nano Lett., vol. 14, pp. 4381–4388, 2014.

 

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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