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同轴纳米激光器实现无阈值运转 |
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| http://cn.newmaker.com
6/6/2012 3:14:00 PM
佳工机电网
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研究人员已经开发出了可在室温下运转的、工作在电信波段的最小连续光激光器，并且这些激光器不存在激光阈值。这一研究结果对于片上（on-chip）光通信具有重要意义，如果能将其集成到硅兼容平台，那么该结果对于整个通信行业都具有更为深远的影响。
美国加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的研究人员，已经着手开发接近“终极纳米激光器”——这是一种可尺寸可扩展、低阈值、高效、室温运转的纳米尺度级激光器。研究人员表示，目前最好的纳米激光器的主要缺陷在于阈值。[1]
加州大学圣地亚哥分校的Mercedeh Khajavikhan表示：“对于亚波长谐振腔而言，其损耗主要来自金属损耗，而像散射（在更小的激光器中由于更高的表体比，散射会更高）等其他损耗并不起主导作用。因此，要超过激光阈值则需要极高的泵浦功率。由于金属损耗高，以前大多数纳米激光器的设计，均采用类似于常规纳米亚波长激光器的设计以获得空间光受限，这样可以避免光场聚集到金属附近。我们的目标是获得一种尺寸可调的微型化激光器结构。”
Khajavikhan解释说，加州大学圣地亚哥分校的研究小组采取不同于以往的小型激光器设计方法，而是采用了一种纳米尺度的同轴型谐振腔。电气工程师们对该结构非常熟悉，并且其在微波领域广泛用于传输线。同轴谐振腔之所以适用于纳米激光器，是因为不管尺寸多小，该结构仅支持单个电磁横模。因此Khajavikhan称“它们是极小尺寸亚波长激光器的理想选择”。
该研究小组制作了大量100nm和175nm的激光谐振腔，每个谐振腔都有一个中心金属棒，金属棒周围依次环绕空气、铟镓砷磷和硅。整个谐振腔封装在银/铝合金内。空气和硅“填塞物”用于增强模受限。该激光器采用商用的1064nm激光器进行光学泵浦。
图：同轴纳米激光器的结构示意图（a）以及模场分布（b和d）。（c）图显示了该纳米激光器的扫描电子显微图像。
纳米尺寸设计起到两个作用。首先，在纳秒量级的小尺寸下，腔量子电动力学效应能够将任何自发发射直接耦合到激光模式。此外，限定激光的横向电磁模式尺寸仅为发射激光波长的1/15。
研究人员对1260~1590nm之间的输出模式进行成像，以显示它们的横向电磁模式特征。此外，这些装置能够将99%的自发发射耦合到激光模式。
该研究小组非常清楚这种无阈值激光器将拥有多种应用前景，因此研究人员正致力于实现用电泵浦以取代光泵浦。Khajavikhan表示：“认识到这些装置的广阔前景之后，我们的目标并仅仅局限于实现电泵浦。”
接下来的应用包括限制显著减少的片上光路由。Khajavikhan指出：“由于不存在阈值，这些激光器装置可以快速调制，因此其有望成为将来电信器件的关键部分。”
该研究小组还有设想排列相位控制的纳米激光器阵列，以获得可以对光束进行任意整形的微型激光器，或者将激光器用于高产量传感及光谱系统。该小组的另一位研究人员Shaya Fainman表示：“我们认为，该纳米激光器只是开发性能优异的光源新家族的一个开始，在这个领域将会有更多新进展即将涌现。”
参考文献
1. M. Khajavikhan et al., Nature (2012); doi:10.1038/nature10840.
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