光子學(xué)中的摩爾定律
1. 光子芯片發(fā)展的復(fù)雜度
微電子學(xué)中著名的摩爾定律認(rèn)為在單片芯片上集成的晶體管數(shù)量以指數(shù)規(guī)律發(fā)展，也就是說(shuō)在過(guò)去的四十年中以每?jī)赡攴环乃俣冗M(jìn)行增長(zhǎng)。在光子學(xué)中我們也觀察到了相似的情況，包括早期階段。圖1和表1顯示了基于InP的光子芯片(PICs)發(fā)展的復(fù)雜度。
圖1 光子芯片復(fù)雜度的發(fā)展
表1 光子芯片復(fù)雜度的發(fā)展
早期復(fù)雜的基于InP的PICs包括1989年由Koren等制作的WDM源，1991年由Cremer等制作的光柵接收機(jī)，1992年由Gustavsson等制作的開(kāi)關(guān)陣列，1994年由Kaiser等制作的外差接收機(jī)。目前為止報(bào)道的最復(fù)雜的是基于陣列波導(dǎo)光柵(AWG)的PICs。1988年Smit制作出第一片AWG，隨后復(fù)雜度不斷提高，WDM接收機(jī)在1993～1996年間的實(shí)現(xiàn)5～10個(gè)元件的集成，WDM激光器在1994～1996年間實(shí)現(xiàn)10～20個(gè)元件的集成，WDM通道選擇器在1994～2001年間實(shí)現(xiàn)10～20個(gè)元件的集成。
新世紀(jì)以來(lái)復(fù)雜性方面明顯增加：WDM接收機(jī)和發(fā)射機(jī)芯片在2003～2005年間集成了44～51個(gè)元件。特別是在2006年，Infiner突然報(bào)道實(shí)現(xiàn)了集成241個(gè)元件的40通道WDM發(fā)射機(jī)。最近的器件包括2009年Nicholes報(bào)道的集成超過(guò)175個(gè)元件的全光可調(diào)諧8×8波長(zhǎng)路由器，2010年Soares報(bào)道的集成超過(guò)300個(gè)元件的100通道任意波形發(fā)生器。最近Infiner報(bào)道了迄今最復(fù)雜的PIC，即集成超過(guò)400個(gè)元件的偏振復(fù)用正交差分相移鍵控(PM-DQPSK)發(fā)射機(jī)。
圖1顯示出光子芯片復(fù)雜度的增長(zhǎng)大致呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律，但是比微電子具有更多的離散點(diǎn)。如果僅僅看基于AWGs的器件，大部分奇異點(diǎn)將消失，從而呈現(xiàn)明顯的光子學(xué)摩爾定律。
2. 光子學(xué)和微電子學(xué)的差異
但是，光子學(xué)和微電子學(xué)中的摩爾定律存在重大的差異。微電子學(xué)中用于復(fù)雜度計(jì)算的器件是商業(yè)應(yīng)用ICs，但是光子學(xué)中的器件卻僅存在于文獻(xiàn)中，而沒(méi)有實(shí)際的市場(chǎng)應(yīng)用。那么為什么文獻(xiàn)中報(bào)道的高級(jí)PICs在歐洲、美國(guó)、遠(yuǎn)東地區(qū)已經(jīng)具有了二十年的技術(shù)積累，還是沒(méi)有進(jìn)入市場(chǎng)呢？該問(wèn)題和目前的項(xiàng)目資助模式有關(guān)：技術(shù)發(fā)展和其應(yīng)用緊密相關(guān)，在沒(méi)有顯著或者重要的應(yīng)用時(shí)就不會(huì)獲得資助。另外由于各實(shí)驗(yàn)室制作光子芯片都是按照自己的技術(shù)進(jìn)行，成本相對(duì)較高，還達(dá)不到廣泛推廣應(yīng)用的要求。這和微電子學(xué)中雖然市場(chǎng)廣大但是技術(shù)體系單一的狀況有很大不同。因此光子芯片發(fā)展問(wèn)題的解決方案就是：應(yīng)用微電子學(xué)改變世界的方法到光子學(xué)集成中。具體說(shuō)需要分兩步實(shí)現(xiàn)：
第一步，開(kāi)發(fā)幾個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)廣大功能的通用集成技術(shù)；
第二步，開(kāi)發(fā)一些能夠開(kāi)放式獲取這些技術(shù)的基礎(chǔ)性架構(gòu)。
3. 通用的光子集成技術(shù)
微電子學(xué)中的復(fù)雜功能都是通過(guò)以不同的數(shù)量和結(jié)構(gòu)來(lái)組裝像晶體管、二極管、電阻、電容、連接器等一系列相當(dāng)小的標(biāo)準(zhǔn)部件實(shí)現(xiàn)的。復(fù)雜度從幾百個(gè)到幾十億個(gè)部件的都有。
光子學(xué)中我們可以采取類(lèi)似的方式?？v觀光子回路的功能，可以看出它們一般由以下一些元件組成：激光器、光放大器、調(diào)制器、探測(cè)器、耦合器、濾波器、復(fù)用/分離器等。通過(guò)合適的設(shè)計(jì)這些元件，也可以將其最小化到一系列基本的標(biāo)準(zhǔn)部件。
作為基本的標(biāo)準(zhǔn)部件我們需要一些被動(dòng)器件實(shí)現(xiàn)光的合成和分束，這樣的器件分為波長(zhǎng)相關(guān)和波長(zhǎng)無(wú)關(guān)兩類(lèi)，前者包括濾波器、波分復(fù)用器等，后者包括功分器、耦合器和合束器等。大部分這樣的器件可以通過(guò)組合不同寬度和長(zhǎng)度的被動(dòng)波導(dǎo)來(lái)構(gòu)成，因此只要集成步驟合適，就可以通過(guò)集成被動(dòng)波導(dǎo)來(lái)構(gòu)造被動(dòng)器件，比如多模干涉(MMI)耦合器和AWG。另外這些被動(dòng)器件作為基本的標(biāo)準(zhǔn)部件如果要實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能還應(yīng)該能對(duì)光信號(hào)的相位、幅度和偏振態(tài)進(jìn)行控制。
圖2顯示了利用通用的InP技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的功能，包括被動(dòng)波導(dǎo)器件、相位調(diào)制器、半導(dǎo)體光放大器、偏振轉(zhuǎn)化器等四種基本的標(biāo)準(zhǔn)部件。圖3顯示了一個(gè)具有納秒量級(jí)開(kāi)關(guān)速度的集成離散可調(diào)諧激光器。
圖2 利用通用的InP技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)部件
圖3 基于AWG的快速調(diào)諧激光器的環(huán)路方案和顯微照片
通用集成技術(shù)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是：由于具有廣大的市場(chǎng)，因此為了在基本標(biāo)準(zhǔn)部件級(jí)獲取非常高的性能而對(duì)這種技術(shù)研發(fā)進(jìn)行投資將會(huì)是正確的。這也將使得以這樣的技術(shù)實(shí)現(xiàn)的光子環(huán)路具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。當(dāng)然單個(gè)集成技術(shù)的高性能不會(huì)對(duì)每一種應(yīng)用都適用，就像微電子學(xué)中針對(duì)高壓、高速、高能或者低能等不同的應(yīng)用類(lèi)型需要不同的技術(shù)。光子學(xué)中也需要針對(duì)不同類(lèi)型的應(yīng)用優(yōu)化出幾種不同的集成技術(shù)，從而涵蓋絕大部分的應(yīng)用領(lǐng)域。但是需要的集成技術(shù)數(shù)量將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于當(dāng)前所擁有的數(shù)量。
4. 通用的光子學(xué)加工模式
一旦成熟的通用光子學(xué)集成技術(shù)開(kāi)發(fā)出來(lái)之后，就需要一個(gè)面向大量用戶的低準(zhǔn)入門(mén)檻。在微電子學(xué)軟件中，美國(guó)的MOSIS和歐洲的EUROPRACTICE提供了低成本的商業(yè)加工，包括文檔、訓(xùn)練以及設(shè)計(jì)軟件。
定制的加工模式
在定制的加工模式中，很多工廠都是租用別人的生產(chǎn)線，同時(shí)工廠的生產(chǎn)都是針對(duì)特定的消費(fèi)者及他們特殊的需求。由于這種模式中所有的發(fā)展費(fèi)用都需要消費(fèi)者來(lái)支付，所以實(shí)際上是屬于消費(fèi)者的。該模式也使得行業(yè)的進(jìn)入門(mén)檻變低，因?yàn)榭梢圆挥眯藿ㄗ约旱某瑑糸g，可以通過(guò)租用來(lái)實(shí)施生產(chǎn)。該模式仍然是針對(duì)一些特殊應(yīng)用，因此成本得不到分?jǐn)?，仍然較微電子行業(yè)中的通用技術(shù)高出很多。
ePIXnet
光子學(xué)中還不存在由通用集成技術(shù)提供的通用加工模式，其中FP6網(wǎng)絡(luò)ePIXnet已經(jīng)走出了第一步。該網(wǎng)絡(luò)始建于2004年9月，將獨(dú)立的研究擴(kuò)展到可以分享昂貴的基礎(chǔ)性技術(shù)設(shè)施的集成研究。該模式可以激發(fā)超凈間的擁有者將其設(shè)備向廣大的無(wú)設(shè)備者開(kāi)放。這樣可以由更多的使用者來(lái)分擔(dān)成本，從而邁出了向集成技術(shù)平臺(tái)發(fā)展的第一步。
集成技術(shù)平臺(tái)
現(xiàn)在已經(jīng)確定兩種主要的集成技術(shù)平臺(tái)：一是JePPIX，用于基于InP的集成技術(shù)，該技術(shù)可以提供包括復(fù)雜激光器和放大器在內(nèi)的很多集成功能；二是ePIXfab，用于Si光子學(xué)的集成，該技術(shù)與CMOS技術(shù)兼容，因此其潛在性能較好而且成本較低。第三種平臺(tái)TriPleX也處于確定之中，它主要用于介質(zhì)波導(dǎo)技術(shù)，可以提供低損耗和高質(zhì)量的被動(dòng)器件，也可以提供從可見(jiàn)光到紅外整個(gè)波段的熱光器件。
多項(xiàng)目晶片
三個(gè)平臺(tái)都可以通過(guò)多項(xiàng)目晶片(MPWs)的方式應(yīng)用到相應(yīng)的技術(shù)中。MPWs將來(lái)自不同用戶的測(cè)試版本集成到一個(gè)單一的晶片上，從而大大減少了芯片設(shè)計(jì)和研發(fā)的成本。
通用加工模式
通用加工模式中應(yīng)該考慮如下一些活動(dòng)：
1) 通過(guò)完全的或者多項(xiàng)目晶片構(gòu)建成熟的或歸檔的商用加工程序。
2) 開(kāi)發(fā)專(zhuān)用設(shè)計(jì)軟件和元器件庫(kù)，以便可以快速和精確設(shè)計(jì)。
3) 中介服務(wù)：輔導(dǎo)和培訓(xùn)對(duì)技術(shù)不熟悉的使用者。
4) 創(chuàng)建能夠幫助不知道如何設(shè)計(jì)芯片的用戶進(jìn)行設(shè)計(jì)的工作室。
5) 使用通用的測(cè)試設(shè)備。
6) 使用通用的封裝設(shè)備。
這些活動(dòng)在ePIXnet集成技術(shù)平臺(tái)上已經(jīng)進(jìn)入了研究級(jí)的水平，可以考慮引入微電子領(lǐng)域的特殊集成芯片應(yīng)用(ASICs)到光子學(xué)中，從而達(dá)到產(chǎn)業(yè)級(jí)的應(yīng)用，該方式可以稱(chēng)為特殊光子學(xué)集成芯片應(yīng)用(ASPICs)。
5. 通用光子學(xué)集成技術(shù)的前景
節(jié)約設(shè)計(jì)研發(fā)的時(shí)間和成本
通過(guò)使用歸檔的高性能加工過(guò)程可以大大減少過(guò)程開(kāi)發(fā)的高成本；通過(guò)將幾個(gè)使用者的設(shè)計(jì)集成到一個(gè)單一的MPW上可以大大減少設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的成本；通過(guò)精確設(shè)計(jì)軟件的使用可以大大減少設(shè)計(jì)研發(fā)周期；通過(guò)ASPICs過(guò)程的嚴(yán)格控制可以增加器件加工以及封裝過(guò)程的可靠性，從而增加合格率減少返修率，也就大大減少了測(cè)試和質(zhì)量維護(hù)的時(shí)間和成本?？偟膩?lái)說(shuō)相對(duì)于傳統(tǒng)的加工模式，通用加工模式在中小體積PIC的成本方面將會(huì)減少10倍以上。
性能
即使通用過(guò)程并不是對(duì)每一種應(yīng)用都有效，但是對(duì)大部分的應(yīng)用來(lái)說(shuō)還是具有競(jìng)爭(zhēng)力的。比如EuroPIC開(kāi)發(fā)的加工過(guò)程和PARADIGM過(guò)程就是基于已經(jīng)存在的集成平臺(tái)技術(shù)，可以生產(chǎn)高性能的調(diào)諧激光器和高速接收機(jī)。表2給出了PARADIGM項(xiàng)目在2014成功完成后各功能模塊預(yù)期可以達(dá)到的性能指標(biāo)?？梢钥闯鏊鼈?nèi)匀槐３至藛蝹€(gè)器件的水平。如果幾個(gè)通用技術(shù)可以得到持續(xù)的投資相信這些性能將會(huì)穩(wěn)定增長(zhǎng)甚至在某些特定應(yīng)用中比特殊技術(shù)更好。
表2 InP通用加工過(guò)程中功能模塊預(yù)期可以達(dá)到的性能指標(biāo)
市場(chǎng)開(kāi)發(fā)
迄今為止，PICs主要應(yīng)用于通信中的一些利基領(lǐng)域，這些領(lǐng)域往往具有普通技術(shù)無(wú)法滿足的性能需求。一旦通用技術(shù)使得PICs的成本下降之后，它們?cè)谕ㄐ沤尤刖W(wǎng)等領(lǐng)域也將具有廣泛的市場(chǎng)。
同時(shí)隨著設(shè)計(jì)研發(fā)和加工成本的降低，PICs在其他領(lǐng)域也將具有廣泛的應(yīng)用。比如光纖傳感市場(chǎng)，PICs可以代替大量已經(jīng)存在的光源、探測(cè)器、信號(hào)出來(lái)回路等模塊。還有光學(xué)相干層析技術(shù)(OCT)，傳統(tǒng)OCT主要使用800nm窗口用于視網(wǎng)膜診斷，但是對(duì)于皮膚和血管診斷來(lái)說(shuō)1500nm波長(zhǎng)將是更好的選擇，這提供了很好的InP PICs應(yīng)用于OCT設(shè)備的機(jī)會(huì)。另外還有一類(lèi)器件應(yīng)用就是皮秒和飛秒脈沖激光器，PICs可以集成包含任意脈沖整形器的鎖模激光器，可以產(chǎn)生廣泛的不同應(yīng)用，比如高速脈沖產(chǎn)生器、時(shí)間恢復(fù)回路、超快AD轉(zhuǎn)換器和多光子顯微鏡等。
以上只是列出了PICs應(yīng)用中一些例子，一旦ASPICs變得便宜之后它們將會(huì)給各類(lèi)公司提高競(jìng)爭(zhēng)力提供廣泛的機(jī)會(huì)。
復(fù)雜度的發(fā)展
我們期望在接下來(lái)的幾年中低成本的商用PICs加工技術(shù)能得到應(yīng)用，從而使得PICs的市場(chǎng)份額快速增加。但是也不希望芯片復(fù)雜度隨之大大增加。首先被動(dòng)器件中不可避免的損耗將會(huì)限制可以級(jí)聯(lián)的元件數(shù)量，主動(dòng)器件中由于熱沉散熱量的限制也使得其集成數(shù)量最多也就幾百個(gè)。其次由于基本的功能模塊和處理回路仍然以模擬方式運(yùn)轉(zhuǎn)，因此信號(hào)在大量元件中傳輸必然會(huì)導(dǎo)致噪聲累積導(dǎo)致信號(hào)失真從而需要進(jìn)行信號(hào)再生，集成信號(hào)再生器將會(huì)消耗空間和功率。因此我們預(yù)期芯片的飽和復(fù)雜度維持在單芯片1000個(gè)元件左右，如圖4的“Generic InP”曲線所示。當(dāng)然這并不意味這光子學(xué)芯片的復(fù)雜度將終止于該水平。
圖4 光子集成芯片(PICs)復(fù)雜度發(fā)展的理想曲線
6. 下一代通用集成技術(shù)
薄膜技術(shù)可以通過(guò)高的垂直折射率差將光限制在薄膜層內(nèi)，因此由它構(gòu)成的器件尺寸將會(huì)更小，很多情況下，尺寸越小意味著速度越快功率消耗越低，因此薄膜技術(shù)最有望成為下一代通用集成技術(shù)。最近幾年硅薄膜技術(shù)在性能和成熟度上已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展。最近的研究展示了SiGe技術(shù)在制作高速調(diào)制器和探測(cè)器方面的可行性。硅基PICs的主要問(wèn)題仍然是光的產(chǎn)生和放大。在硅光子學(xué)中獲得單片集成光源方面已經(jīng)提出了一些有趣的想法，包括使用多孔硅，硅納米晶體，摻鉺硅和GeSn。最近MIT展示了在硅中高N摻雜Ge的材料中可以獲得增益。但是迄今為止這種方式制作的激光器的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上基于GaAs和InP的帶隙性半導(dǎo)體激光器。因此硅薄膜集成平臺(tái)致力于使用Ⅲ-Ⅴ激光器。圖5演示了4種不同的組合方式。
圖5 在硅光子集成芯片中產(chǎn)生光的四種方式
圖5(a)是MIT采取的一種方式，光通過(guò)外部光源耦合到硅薄膜中，該方式在片上互聯(lián)網(wǎng)中具有最短的路徑，但是其擴(kuò)展性較差，而且沒(méi)有集成光源其復(fù)雜度也受到了限制，迄今為止該方式報(bào)道的最高復(fù)雜度是每片86個(gè)元件。
圖5(b)是IMEC，LETI和COBRA采用的方式，將激光器和探測(cè)器制作在沉積于硅薄膜頂上的Ⅲ-Ⅴ中，然后光通過(guò)一個(gè)薄的低折射率層傳入硅層中。該方式中很難得到有效的光耦合。
圖5(c)是UCSB和Intel采用的稍微不同的方式，將有源Ⅲ-Ⅴ層直接沉積到硅薄膜中，通過(guò)原子結(jié)合可以使該硅波導(dǎo)具有增益。該方式中光從有源層到被動(dòng)層的耦合仍然很難，因?yàn)樗枰母呦拗坪透唏詈闲适且粚?duì)矛盾。
圖5(d)是我們采用的方式，將硅薄膜換成了InP薄膜(IMOS)，通過(guò)亞微米尺度的選擇性再生技術(shù)在薄膜中進(jìn)行優(yōu)先結(jié)合構(gòu)造局部的有源區(qū)。該方式在一個(gè)薄膜中實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)和被動(dòng)功能，它們之間的耦合也不再是問(wèn)題。另外該方式中關(guān)于基底的校準(zhǔn)問(wèn)題也得到緩和。同時(shí)由于使用了較厚的聚合層來(lái)結(jié)合InP薄膜和基底，因此實(shí)現(xiàn)時(shí)是獨(dú)立于表面形態(tài)的。這對(duì)于將來(lái)將IMOS光子集成回路和CMOS電路進(jìn)行結(jié)合將是很重要的。
InP薄膜的光學(xué)性能和硅薄膜的性能非常相似。我們已經(jīng)利用IMOS技術(shù)制作很多高質(zhì)量的被動(dòng)器件，如圖6所示：損耗7dB/cm的光子線，5μm彎曲半徑損耗可忽略的曲線波導(dǎo)，損耗僅0.6dB的MMI耦合器，Q因子大于15000的環(huán)形濾波器，長(zhǎng)度4μm包含整個(gè)L/C/S波段的偏振轉(zhuǎn)換器。
圖6 被動(dòng)IMOS器件
但是為了獲得可用于光子學(xué)集成平臺(tái)的完整的器件系列，還需要利用該技術(shù)開(kāi)發(fā)更多的器件。最重要的是激光器和放大器等主動(dòng)器件。圖7顯示了一個(gè)盤(pán)狀的有源區(qū)，半徑為250nm，包含4個(gè)設(shè)計(jì)激發(fā)波長(zhǎng)為1.55μm的量子阱，該有源區(qū)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了光發(fā)射。為了獲得半導(dǎo)體激光器的全部?jī)?yōu)勢(shì)，還需要電子注入，該方式正在研究中。
圖7 再生之前的亞微米有源區(qū)
IMOS技術(shù)結(jié)合了經(jīng)典的InP光子學(xué)和經(jīng)典的硅光子學(xué)，最終它將在不需要高功率的領(lǐng)域廣泛的代替InP光子器件。同時(shí)由于在光產(chǎn)生和放大方面硅光子器件無(wú)能為力，因此IMOS也將占據(jù)這些領(lǐng)域。
由于薄膜器件更小的尺寸和功率消耗，我們預(yù)期能夠有效集成光源和放大器的薄膜技術(shù)所允許的芯片集成復(fù)雜度將比經(jīng)典InP技術(shù)高一個(gè)數(shù)量級(jí)，如圖4中曲線所示。
7. 集成技術(shù)的最終形式
當(dāng)光子集成達(dá)到了大規(guī)模集成(LSI，>10000)或者超大規(guī)模集成(VLSI，>1000000)水平，必然出現(xiàn)由模擬信號(hào)處理向數(shù)字信號(hào)處理的轉(zhuǎn)變。
一個(gè)全光數(shù)字信息處理系統(tǒng)包含：具備完整布爾運(yùn)算體系并可以級(jí)聯(lián)用于任何數(shù)字運(yùn)算的器件和器件系列。這些器件必需具備微型尺寸，能夠被密集集成，能夠用集成回路技術(shù)進(jìn)行互連(也意味必需具備低功率需求)，必需能夠以相對(duì)于電子學(xué)更高的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。雖然過(guò)去40年里大家都致力于制作符合上述要求的器件，但是由于缺乏快的、堅(jiān)固的、低功率光學(xué)非線性的材料，因此并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)高速、復(fù)雜、集成的數(shù)字光學(xué)處理器。
激光器具有適合數(shù)字運(yùn)算的非線性光學(xué)特性，而且也可以作為光學(xué)信號(hào)的光源。微納激光器還具有小尺寸、低功率。因此能夠在一塊芯片上集成較多的數(shù)量并具有高速運(yùn)轉(zhuǎn)的潛能，也能夠相互耦合實(shí)現(xiàn)數(shù)字功能。
小型化是低功率激光器實(shí)現(xiàn)高速數(shù)字運(yùn)算的關(guān)鍵問(wèn)題。由于衍射的限制，絕緣介質(zhì)腔到達(dá)最小光學(xué)模式尺寸時(shí)整個(gè)激光器仍然具有幾個(gè)波長(zhǎng)的尺寸。為了進(jìn)一步減小器件尺寸，可以使用金屬制作激光諧振腔，該方式可以使器件尺寸在2個(gè)或者3個(gè)維度上小于一個(gè)波長(zhǎng)。金屬激光器在低功率下可以具有THz的調(diào)制或者弛豫振蕩頻率。該特性使得數(shù)字光子器件在高性能應(yīng)用中可以媲美于電子器件。
過(guò)去很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)認(rèn)為金屬納米腔的損耗很大，但是近期實(shí)驗(yàn)證明金屬制作的納米激光諧振腔不僅可以使得激光器的整個(gè)尺寸小于一個(gè)波長(zhǎng)，而且光學(xué)模式尺寸也會(huì)被減小到衍射極限以下。
圖8顯示了我們的特殊結(jié)構(gòu)，在一個(gè)薄的絕緣體中刻蝕一對(duì)具有非同性結(jié)構(gòu)的柱子，然后再用一厚的惰性金屬層將整個(gè)結(jié)構(gòu)包起來(lái)。柱子的直徑大約260nm，包含一高度為300nm的InGaAs有源區(qū)。柱子中的InGaAs非同性結(jié)構(gòu)和金屬構(gòu)成諧振腔，在低溫下該諧振腔實(shí)現(xiàn)了1400nm的激光激發(fā)，閾值電流在77K時(shí)是6μA。
圖8 金屬納米激光器
圖9 通過(guò)封裝非同性結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的MIM波導(dǎo)
上述非同性結(jié)構(gòu)方式中通過(guò)改變柱子形狀可以制作波導(dǎo)，比如在一片長(zhǎng)的薄正方形柱子中刻蝕相同的結(jié)構(gòu)。將整個(gè)柱子用金屬包起來(lái)之后形成了所謂的金屬-絕緣體-金屬(MIM)波導(dǎo)。MIM波導(dǎo)是少數(shù)幾種真正允許光的亞波長(zhǎng)限制和傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)之一，光可以在任意的薄絕緣體區(qū)域傳輸，如圖9所示。
使用MIM波導(dǎo)可以有效的將激光耦合到傳統(tǒng)介質(zhì)波導(dǎo)或者其他被動(dòng)或主動(dòng)性帶隙等離子模式波導(dǎo)中。理論顯示通過(guò)傳統(tǒng)的集成光學(xué)可以將MIM波導(dǎo)制成很多普通的波導(dǎo)器件，比如分束器、光柵等。另外MIM波導(dǎo)不僅可以將光限制在亞波長(zhǎng)范圍內(nèi)傳輸，而且具有非常緊湊的封裝密度。
理論上，使用MIM波導(dǎo)可以構(gòu)造小尺寸、高質(zhì)量模式重疊、低質(zhì)量因子的激光器，使激發(fā)激光的調(diào)制帶寬在THz量級(jí)，抽運(yùn)功率幾十毫瓦。如此小體積、高速和低功率的激光器將構(gòu)成集成數(shù)字光子學(xué)處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。原則上在單片芯片上集成超過(guò)100000個(gè)這樣的激光器是可行的，這將把我們帶入到光子學(xué)的VLSI時(shí)代。另外等離子的納米激光器也有望用于推進(jìn)激光器尺寸的小型化。
8. 結(jié) 論
本文討論了由于微電子和光子學(xué)集成技術(shù)的巨大差別而使得摩爾定律不能應(yīng)用到光子學(xué)中的觀點(diǎn)。對(duì)于今天的光子集成技術(shù)來(lái)說(shuō)該觀點(diǎn)確實(shí)是對(duì)的。但是正是由于不同的最大原因是由于光子集成技術(shù)中沒(méi)有取得和微電子學(xué)一樣的成本優(yōu)勢(shì)，所以必需盡可能地排除這些不同之后才能得到正確的結(jié)論。應(yīng)用微電子學(xué)的方法學(xué)到光子學(xué)中，可以期望PICs的設(shè)計(jì)研發(fā)和生產(chǎn)成本將大大降低，它們將在通信、數(shù)據(jù)處理、傳感、醫(yī)學(xué)設(shè)備、度量學(xué)、光子消費(fèi)產(chǎn)品等領(lǐng)域取得突破性的廣泛應(yīng)用。這也將加速更多高級(jí)集成技術(shù)的發(fā)展從而最終將我們帶入超大規(guī)模光子集成芯片(VLSI PICs)時(shí)代。