美國耶魯大學研發出一種使用聲波放大光信號的新型硅激光器，該進展可顯著擴展在硅光電電路中對光的控制能力。研究成果在6月8日發表

研究背景

近年來，對于將光纖光學和自由空間激光器等光子技術轉化為小型光電集成電路的興趣不斷增加。使用光而非電來實現集成電路，其傳輸、處理信息的速度遠超越傳統電子器件。研究人員表示，由于可與現有微電子器件兼容，基于硅的硅光電和光子電路是這類技術的引領性平臺之一。項目領導者、耶魯大學應用物理副教授Peter Rakich說：“在過去的幾年中，我們看到了硅光電技術領域的爆炸性增長。我們不僅開始看到這些技術進入商用產品領域，如幫助數據中心無誤工作，也發現新的光電器件和技術將對在單個芯片上實現從生物感知到量子計算信息的所有事情都帶來變革。對于這個領域而言，現在真是一個非常令人激動的時刻。”

面臨挑戰

研究人員表示需求的快速增長已經對新的硅激光器產生了迫切需求。但由于硅的非直接帶隙，該問題在歷史上一直難以解決。Rakich實驗室的博士生、論文的第一作者Nils Otterstrom說：“盡管對于很多芯片級光子技術非常有用，硅的本質屬性使其使用電流產生激光極其困難。該問題已困擾科學家超過10年的時間。要解決這個問題，我們需要找到其他方法來放大芯片上的光。在此次研究中，我們使用了光和聲波的組合。”

此前進展

2016年6月，Rakich所領導的研究團隊發現了一種能夠用聲波放大硅芯片上光強的新波導系統，研究成果發表在《自然光電》上。該波導可將光和聲都限制在硅上，具備可精確控制光和聲相互作用的能力，可以一種新的此前從未實現過的方式來控制和處理信息。

圖為波導結構示意圖

技術核心

要使用聲波放大光，硅激光器使用的是由Rakich實驗室所研發的特殊結構。Rakich說：“這本質上是一個納米級波導，該波導設計用于嚴格限制光和聲波，并使他們之間的相互作用最大化。”Rakich實驗室另一位研究生、論文的共同作者Eric Kittlaus說：“該波導的獨特性在于有兩個不同的傳輸通道用于光傳播。這使得我們可以定義光聲耦合的形狀，進而實現非常健壯和靈活的激光器設計。”

激光器設計將放大的光限制在跑道形狀中，在環行運動中捕獲光。Otterstrom說：“跑道設計是創新的重要一部分。通過這種方法，我們能夠放大光的幅度，提供發生激射所需的反饋。”

Otterstrom表示，在研發新的激光器有兩個主要挑戰。“首先是設計和制造一個器件，其放大超過損失，然后得到有違直覺的動態范圍。我們觀察到的是，盡管該系統是明確的一個光電激光器，同樣也產生非常連貫的超音速波。”

進展意義

研究人員解釋，如果不使用這種結構，使用聲波進行的光放大將不可能在硅中實現。Rakich說：“我們所采用的光-聲相互作用此前并不真實存在這些光電路中，我們已經將其轉化為在硅中的最強放大機制。現在，我們能夠將其用于幾種新的類型激光器技術中，這些技術中的任何一個在10年前都不存在。”

潛在應用

研究團隊表示這些特性可能帶來大量潛在應用，從集成振蕩器到新編/解碼方法。論文作者之一、北亞利桑那大學助教、前Rakich實驗室成員之一Ryan Behunin說：“使用硅，我們能夠設計產生大量激光器，每個都有獨特的動態范圍和潛在應用。這些成果能夠顯著擴展我們在硅光電電路中控制和規范光的能力。”