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Whoscored中文官网 | 编译自 Laser Focus World

 

密集集成的纳米激光器阵列 (间隔仅18微米)可以用单根光纤的光完全驱动和编程。用这些激光阵列装备光互连可能会大大加快和扩展数据中心的信息处理能力。

Myung-Ki Kim和参与这项工作的照明工程实验室团队

 

在当今的信息时代，光学集成器件作为电子集成器件的替代产品而备受关注，因为电子集成器件正在奋力跟上不断涌现的数据洪流的步伐。 

小型光源的高密度集成及其有效的驱动和控制是光学技术的关键组成部分，但随着激光器阵列密度的增加（或激光器之间的间距变得更窄），在一个非常小的空间内放置和驱动电极阵列正在迅速达到其极限。 

幸运的是，由韩国大学光工程实验室的Myung-Ki Kim领导的一个研究小组已经表明，密集集成的纳米激光器阵列可以通过一个光波导端口被完全驱动和编程，它看起来对光学集成电路和互连非常有用。

 

通过光/光波导端口驱动纳米激光器阵列 

为了给激光器阵列提供电流，必须为每个单独的激光器引入一对电极，这将占用大量的片上空间，还有能量消耗以及处理延迟。 

这个关键的限制可以通过用光驱动取代电驱动来解决。与电子不同，光是一种波，可以形成自由的空间干涉模式。如果将光的空间干涉图案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。 

"我们已经通过实验证明，密集地打印在光学微纤维上的三维纳米激光器阵列，可以通过在同一光纤里面的泵浦光束的可切换模式干扰来驱动和编程"，副教授Kim说。 

该团队利用转移打印技术在直径2微米的光学微纤维上以二维和三维方式打印了多个激光间距为18微米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器阵列（见图1）。

图1. 该团队的全光方法通过在一根光纤上传播的光线驱动多个高密度纳米激光器阵列。

 

"我们通过调整泵浦光束的偏振和脉冲宽度对干涉模式进行编程"，Kim说，"观察到印刷的纳米激光器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"。 

通过这项工作，与传统的电驱动激光器阵列相比，该团队能够通过消除大型和复杂的电极来减少激光器阵列的整体尺寸，并从根本上最大限度地减少了电极引起的发热和处理延迟。

 

对速度/光学集成电路的需求 

由于互补金属氧化物半导体工艺的进步，使晶体管的超大规模集成成为可能，半导体电子技术正在帮助满足处理大量数据的需求。 

Kim说："随着半导体芯片变得更加紧凑，制造工艺变得更加复杂和昂贵，而且由于量子隧道，技术正在接近物理极限：不可避免地造成能量耗散并限制了信息处理的带宽。 

因此，光学集成电路正在作为一种替代方案出现：用光取代电路中的电子。"这是一个集成系统，通过光在微芯片上检测、生成、传输和处理信息。电子传输/互连要消耗大量的能源并严重减慢了处理速度。我们的研究重点是光学互连，用光来取代这些电子互连"。 

使用光波导代替芯片内的铜线可以实现更高的带宽，同时在互连中产生的热量更少。面临的挑战是，随着集成电路的尺寸推进到纳米级，芯片级的光学元件（激光器）必须高度集成，而且必须提供未来的解决方案来有效驱动和控制它们。

"我们的工作为更高密度的激光器阵列提供了一个新的解决方案，这对发展光学互连至关重要，而且可以成为未来发展光学集成电路的一项关键技术"，Kim说。 

验证该团队工作的关键是根据泵浦光束的干涉模式，在光波导的表面上对III-V纳米激光器进行3D排列（见图2）。

图2. 这些模拟图像显示了光干扰模式如何与纳米激光器阵列相互作用：（a）TE00和TE01模式沿微纤维的空间干扰示意图。两个光子晶体纳米束（PCN）激光器（PCN1和PCN2）在微纤维的表面上连成一线。(b) TE00和TE01模式的有效折射率（Δn）的差异和相应的半拍长度（Lπ），(c) PCN空腔模式在xy面的对数|E|2曲线和制造的InGaAsP PCN激光器的SEM图像。(d, e) 泵浦光束在xz面和yz面的E|2曲线，光束从左到右传播。(f) PCN垂直中心处沿xy平面的吸收功率密度曲线。

 

"为了实现这一目标，我们开发了一种高分辨率的微转移印刷技术"，Kim解释说。"预制了独立于III-V晶圆上的纳米激光器，并使用高分辨率共聚焦显微镜和微米级的聚二甲基硅氧烷（PDMS）印章将纳米激光器分离。然后，使用一个360°连续旋转台和一个高精度的纳米定位台，将分离的激光器精确地3D打印在一个直径为2微米的光学微纤维上“。

 

纳米激光器阵列在光互连中的作用

光学互连是一项关键技术，有可能从根本上解决许多数据中心的问题，包括延迟/速度，并提升其性能。 

"我们以信息为中心的世界需要不断扩展带宽，再加上要更好地利用奋力工作的数据中心"，Kim说。"为了适应这一点，数据中心的架构必须不断发展，而且必须不断开发新技术"。 

Kim指出，开发配备高密度纳米激光器的光互连可能会 "极大地扩展数据中心的信息处理，使我们能够流式传输超高清电影，扩大互动式在线会谈和游戏，加速物联网的扩展，并提供大数据分析所需的快速连接"。 

该团队的工作表明，通过泵浦光束的模态干扰，密集集成的纳米激光器阵列的全光驱动和编程确实是可能的。这项技术也可以应用于基于芯片的硅基光电子学系统，它可能在开发芯片到芯片或芯片上的光互连中发挥关键作用。 

为了将他们的全光激光器驱动和编程技术应用于硅基光电子学，有必要证明硅波导的模式可以如何独立控制。Kim补充说："如果这项技术被开发出来，这将是片上光互连和光集成电路进步的一个巨大飞跃“。