纳米激光器迎重大突破，未来手机、数据中心或将更快更节能

近日，丹麦技术大学（DTU）的研究人员开发出一种新型纳米激光器，或成为实现运算速度更快、能效更高的计算机、手机及数据中心的关键。这项纳米激光器的研究成果发表在《科学进展》（Science Advances）期刊上。

该论文详细介绍了这种纳米激光器的制造工艺与结构：该器件是在一个厚度为250纳米的磷化铟（InP）薄膜内制备而成，该薄膜嵌入了三层铟镓砷磷（InGaAsP）量子阱。首先，将磷化铟晶圆通过倒装键合技术固定在硅/二氧化硅（Si/SiO₂）衬底上。随后，通过去除磷化铟衬底及一层铟镓砷（InGaAs）腐蚀停止层，最终形成激光器薄膜。

研究人员发明了一种在半导体薄膜上构建的纳米激光器，能使电子和光聚集在一个微小区域（蓝色阴影内）。通过在微芯片上使用光信号而非电信号，可以提高数据传输速度并减少能量损耗。这款基于极端介电约束原理的纳米激光器示意图显示，在光学泵浦条件下，一束聚焦的高斯光束（红光）照射在极端介电约束（EDC）激光器上，产生一个区域（蓝色阴影），激发后的载流子在此汇聚，从而增强了与光腔场（亮点）的空间重叠

电子束光刻技术
论文进一步阐述道：首先在晶圆上沉积一层氮化硅（SiNx）薄膜，随后旋涂光刻胶。接着利用电子束光刻技术对结构进行图形化定义。该图形先被转移至氮化硅硬掩模层，再通过两步半导体刻蚀工艺最终转移至磷化铟（InP）层。

刻蚀完成后，样品需经过钝化处理：先将其浸入氢氧化铵溶液中去除非晶圆表面的氧化层，然后在金属有机物气相外延（MOVPE）反应腔中进行退火处理，以修复并密封量子阱（QW）。退火工艺结束后，结构被薄膜化，并通过原子层沉积技术覆盖一层三氧化二铝（Al₂O₃）封装层。

这项技术预示着未来可在单个微芯片上集成数千个新型纳米激光器，从而开启一个不再依赖电信号，而是利用光粒子——光子进行数据传输的数字未来。

丹麦技术大学教授、该论文的合著者Jesper Mørk表示，纳米激光器为我们创造了开发兼具高性能与极小尺寸的新一代元器件的可能性。例如在信息技术领域，超小型、高能效的纳米激光器可以降低计算机的能耗；在医疗保健领域的传感器开发中，纳米激光器极高的光聚焦能力则能实现高分辨率成像和超灵敏生物传感。

能耗减半
丹麦技术大学在官方公告中指出：通过利用纳米激光器将光直接引入微芯片内部，未来的数字技术有望实现运算速度更快、设备温度更低、且更具环境友好性。这是因为纳米激光器能够高效产生光信号，并几乎做到无损传输。在计算机领域，Mørk教授预计纳米激光器可使能耗降低一半。

这款纳米激光器是在DTU的洁净室DTU Nanolab中研制成功的。据Mørk介绍，它打破了传统观念中激光器尺寸的极限。该激光器基于一种名为“纳米腔”的光约束结构，能将光极强地聚焦在一个极小区域内，而以往这样的设计被认为是不可行的。

当研究人员用光束照射该激光器时，光和电子都汇聚在一个微观区域内，这使得激光器能在室温下以极低的能耗运行。DTU研究团队采用的这种光约束结构最初由DTU建筑与机械学院的Ole Sigmund教授团队设计。

DTU团队表示，如果未来能够实现纳米激光器的电泵浦驱动——这将是下一个重大研究挑战——那么它将可能引发众多技术的革命。届时，计算机和智能手机不仅能效大幅提升，性能也将更强；数据中心则能显著降低能耗，从而为应对气候变化做出重大贡献。

在医疗技术领域，纳米激光器将推动超灵敏传感器和高分辨率成像系统的开发。研究人员预计，最后的技术难题有望在未来五到十年内得到解决。