[圖]英特爾成功開發(fā)出世界上第一個連續(xù)波長硅激光器

    英特爾科學(xué)家日前宣布在標(biāo)準(zhǔn)硅器件上開發(fā)出全球第一套連續(xù)波長激光器，此一重大進(jìn)展將帶動運算、通訊及醫(yī)療應(yīng)用的創(chuàng)新研發(fā)，運用標(biāo)準(zhǔn)硅器件制造工藝開發(fā)全球第一套能驅(qū)動連續(xù)波長的硅激光器技術(shù)(continuous wave silicon laser, CW laser)。這項技術(shù)將能協(xié)助業(yè)界將低成本、高質(zhì)量的激光器及光器件帶入主流的運算、通訊及醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域。

        最新發(fā)行的Nature期刊報導(dǎo)，英特爾的研究人員發(fā)明一種方法，利用所謂的拉曼效應(yīng)(Raman effect)與硅晶結(jié)構(gòu)來放大通過硅器件的激光波長。將外部光源導(dǎo)入實驗的芯片后，產(chǎn)生連續(xù)完整的激光束。盡管離商業(yè)化產(chǎn)品階段還有相當(dāng)長的路要走，但能運用標(biāo)準(zhǔn)硅器件來產(chǎn)生激光，意謂著業(yè)界能制造出低成本的光學(xué)器件，以光速在計算機內(nèi)外部傳遞數(shù)據(jù) – 針對高速運算創(chuàng)造出新一系列的新應(yīng)用。

        英特爾光技術(shù)實驗室(Intel’s Photonics Technology Lab.)總監(jiān)Mario Paniccia博士表示：“重要的是，我們首度展示利用標(biāo)準(zhǔn)硅器件制造出能夠放大激光波長的裝置。高質(zhì)量光器件面臨到的限制就是其制造、組裝、以及封裝的成本過于昂貴。這項研究是一項重大的里程碑，讓業(yè)界將能針對廣大的主流市場提供低成本、高帶寬的硅光器件。”

        現(xiàn)今每部計算機都內(nèi)置一顆電源供應(yīng)器來驅(qū)動芯片、硬盤、以及外圍裝置。未來，個人計算機可能內(nèi)置小型激光器、放大器及光連結(jié)裝置，將數(shù)以兆兆位(terabyte)計的數(shù)據(jù)在計算機與網(wǎng)絡(luò)之間傳遞。此外，許多特定波長的激光光源適合應(yīng)用在人體組織等醫(yī)療用途上。例如，某種激光器波長適合治療牙齦問題，另一種波長的激光器則適合用在鉆洞處理蛀牙等問題上。然而現(xiàn)今這類激光器造價高達(dá)上萬美元，導(dǎo)致應(yīng)用的范疇受到限制。英特爾的突破性技術(shù)將能促使業(yè)界開發(fā)低價位的醫(yī)療激光器材，以降低牙醫(yī)醫(yī)療的成本，并減輕病人的痛苦。

技術(shù)細(xì)節(jié)

        建構(gòu)一個拉曼硅激光器的第一步就是刻蝕出一個波導(dǎo) (waveguide) – 在芯片中傳遞光線的管道。紅外線光源可穿透硅器件，因此當(dāng)光進(jìn)入波導(dǎo)時，研究人員可在芯片內(nèi)對光進(jìn)行控制及傳導(dǎo)。和激光器首度在1960年代發(fā)明時一樣，英特爾研究人員運用一個外部光源將光線導(dǎo)入芯片。當(dāng)導(dǎo)入光線后，硅芯片內(nèi)的自然原子振動(natural atomic vibrations)可在芯片內(nèi)放大光(lignt)。這種放大作用——拉曼效應(yīng) ——在硅芯片內(nèi)的強度比在玻璃光纖內(nèi)高出1萬倍以上。現(xiàn)今電信產(chǎn)業(yè)所使用的拉曼激光器與放大器運用數(shù)英里的光纖來放大激光信號。運用硅器件技術(shù)，英特爾研究人員在數(shù)公分的硅芯片中就制造出功率放大的效果。

圖1：a)在玻璃光纖中利用拉曼效應(yīng)放大光信號 b)在硅波導(dǎo)中利用拉曼效應(yīng)放大光信號

激光器泛指任何能發(fā)射高強度、高同調(diào)性的光束(所有光子具有相同的波長、相位及方向)。透過在芯片表面被覆上一層反射性的薄膜，類似高質(zhì)量太陽眼鏡所使用的被覆方式，研究小組即可在導(dǎo)入光線至芯片時，將光留在芯片中并在內(nèi)部來回振蕩以放大光。當(dāng)泵浦(pump)能量的強度達(dá)到一個臨界值時，就會產(chǎn)生精準(zhǔn)的同調(diào)性光 (如：激光器)，發(fā)射至芯片外部。

突破

        在初期的研究過程中，當(dāng)光線泵浦功率提高至臨界值時，放大率就不會再升高，最終甚至?xí)饾u下降。其原因來自一種名為“Two-Photon Absorption”的物理現(xiàn)象，當(dāng)來自同一個光束的兩個光子同時撞擊到一個原子時，就會撞出一個電子。這些電子在波導(dǎo)上逐漸累積，開始吸收光線，導(dǎo)致放大效應(yīng)中斷并逐漸下滑。

        英特爾將突破性解決方案整合至半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，將一種光探測器件PIN (P-type - Intrinsic - N-type)整合至波導(dǎo)中。當(dāng)泵浦在PIN器件時，就會產(chǎn)生類似真空的作用，消除光路中的多余電子。PIN器件結(jié)合拉曼效應(yīng)就能產(chǎn)生連續(xù)的激光束。

讓硅器件與激光一同運作

        英特爾的硅光研究(silicon photonics research)工作，運用該公司在硅器件累積的技術(shù)，開發(fā)各種整合型光器件，能整合至英特爾客戶的各種產(chǎn)品中。硅光研究團(tuán)隊開發(fā)出許多突破技術(shù)，在2004年推出第一套硅光模塊，能在1GHz的頻率速度下進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼，比先前20MHz的紀(jì)錄提高50倍。

        英特爾資深院士暨通訊技術(shù)實驗室總監(jiān)Kevin Kahn表示：“英特爾推動許多長期的研究計劃，尋找各種新科技，讓硅器件能為人類帶來更美好的生活。例如，我們開發(fā)無線傳感網(wǎng)絡(luò)，能用來探測工廠中甚至是在海上航行船只里的設(shè)備，以防范可能發(fā)生的故障，或是為年長者提供更好的醫(yī)療服務(wù)。在硅光計劃中，我們的目標(biāo)是運用硅器件制造技術(shù)，制造出可量產(chǎn)的低成本光器件，讓高帶寬的光技術(shù)能廣泛應(yīng)用在運算與通訊產(chǎn)業(yè)?！?

        此項研究的報告已刊登在于2005年2月17日發(fā)行的433期Nature雜志。標(biāo)題為“連續(xù)波長的拉曼硅激光器(A continuous wave Raman Silicon Laser)”，作者為英特爾研究員Haisheng Rong、Richard Jones、Ansheng Liu、Oded Cohen、Dani Hak、Alexander Fang及Mario Paniccia。論文復(fù)本與詳細(xì)信息請參考www.intel.com/technology/sp.