[图]英特尔成功开发出世界上第一个连续波长硅激光器

    英特尔科学家日前宣布在标准硅器件上开发出全球第一套连续波长激光器，此一重大进展将带动运算、通讯及医疗应用的创新研发，运用标准硅器件制造工艺开发全球第一套能驱动连续波长的硅激光器技术(continuous wave silicon laser, CW laser)。这项技术将能协助业界将低成本、高质量的激光器及光器件带入主流的运算、通讯及医疗应用领域。

        最新发行的Nature期刊报导，英特尔的研究人员发明一种方法，利用所谓的拉曼效应(Raman effect)与硅晶结构来放大通过硅器件的激光波长。将外部光源导入实验的芯片后，产生连续完整的激光束。尽管离商业化产品阶段还有相当长的路要走，但能运用标准硅器件来产生激光，意谓着业界能制造出低成本的光学器件，以光速在计算机内外部传递数据 – 针对高速运算创造出新一系列的新应用。

        英特尔光技术实验室(Intel’s Photonics Technology Lab.)总监Mario Paniccia博士表示：“重要的是，我们首度展示利用标准硅器件制造出能够放大激光波长的装置。高质量光器件面临到的限制就是其制造、组装、以及封装的成本过于昂贵。这项研究是一项重大的里程碑，让业界将能针对广大的主流市场提供低成本、高带宽的硅光器件。”

        现今每部计算机都内置一颗电源供应器来驱动芯片、硬盘、以及外围装置。未来，个人计算机可能内置小型激光器、放大器及光连结装置，将数以兆兆位(terabyte)计的数据在计算机与网络之间传递。此外，许多特定波长的激光光源适合应用在人体组织等医疗用途上。例如，某种激光器波长适合治疗牙龈问题，另一种波长的激光器则适合用在钻洞处理蛀牙等问题上。然而现今这类激光器造价高达上万美元，导致应用的范畴受到限制。英特尔的突破性技术将能促使业界开发低价位的医疗激光器材，以降低牙医医疗的成本，并减轻病人的痛苦。

技术细节

        建构一个拉曼硅激光器的第一步就是刻蚀出一个波导 (waveguide) – 在芯片中传递光线的管道。红外线光源可穿透硅器件，因此当光进入波导时，研究人员可在芯片内对光进行控制及传导。和激光器首度在1960年代发明时一样，英特尔研究人员运用一个外部光源将光线导入芯片。当导入光线后，硅芯片内的自然原子振动(natural atomic vibrations)可在芯片内放大光(lignt)。这种放大作用——拉曼效应 ——在硅芯片内的强度比在玻璃光纤内高出1万倍以上。现今电信产业所使用的拉曼激光器与放大器运用数英里的光纤来放大激光信号。运用硅器件技术，英特尔研究人员在数公分的硅芯片中就制造出功率放大的效果。

图1：a)在玻璃光纤中利用拉曼效应放大光信号 b)在硅波导中利用拉曼效应放大光信号

激光器泛指任何能发射高强度、高同调性的光束(所有光子具有相同的波长、相位及方向)。透过在芯片表面被覆上一层反射性的薄膜，类似高质量太阳眼镜所使用的被覆方式，研究小组即可在导入光线至芯片时，将光留在芯片中并在内部来回振荡以放大光。当泵浦(pump)能量的强度达到一个临界值时，就会产生精准的同调性光 (如：激光器)，发射至芯片外部。

突破

        在初期的研究过程中，当光线泵浦功率提高至临界值时，放大率就不会再升高，最终甚至会逐渐下降。其原因来自一种名为“Two-Photon Absorption”的物理现象，当来自同一个光束的两个光子同时撞击到一个原子时，就会撞出一个电子。这些电子在波导上逐渐累积，开始吸收光线，导致放大效应中断并逐渐下滑。

        英特尔将突破性解决方案整合至半导体结构中，将一种光探测器件PIN (P-type - Intrinsic - N-type)整合至波导中。当泵浦在PIN器件时，就会产生类似真空的作用，消除光路中的多余电子。PIN器件结合拉曼效应就能产生连续的激光束。

让硅器件与激光一同运作

        英特尔的硅光研究(silicon photonics research)工作，运用该公司在硅器件累积的技术，开发各种整合型光器件，能整合至英特尔客户的各种产品中。硅光研究团队开发出许多突破技术，在2004年推出第一套硅光模块，能在1GHz的频率速度下进行数据编码，比先前20MHz的纪录提高50倍。

        英特尔资深院士暨通讯技术实验室总监Kevin Kahn表示：“英特尔推动许多长期的研究计划，寻找各种新科技，让硅器件能为人类带来更美好的生活。例如，我们开发无线传感网络，能用来探测工厂中甚至是在海上航行船只里的设备，以防范可能发生的故障，或是为年长者提供更好的医疗服务。在硅光计划中，我们的目标是运用硅器件制造技术，制造出可量产的低成本光器件，让高带宽的光技术能广泛应用在运算与通讯产业。”

        此项研究的报告已刊登在于2005年2月17日发行的433期Nature杂志。标题为“连续波长的拉曼硅激光器(A continuous wave Raman Silicon Laser)”，作者为英特尔研究员Haisheng Rong、Richard Jones、Ansheng Liu、Oded Cohen、Dani Hak、Alexander Fang及Mario Paniccia。论文复本与详细信息请参考www.intel.com/technology/sp.