光子学的未来使用量子点

数千英里的光纤电缆纵横交错，包括从财务数据到猫视频的所有内容。但是当信号到达您的本地数据中心时，它就会陷入硅瓶颈。计算机不依赖于光线，而是通过基于硅芯片的电子运行 - 尽管取得了巨大的进步，但它仍然不如光子技术效率高。

为了突破这个瓶颈，研究人员正试图将光子学整合到硅器件中。他们一直在开发激光器 - 光子电路的关键组件 - 可以在硅片上无缝工作。在本周出版的APL Photonics的一篇论文中，来自加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的研究人员写道，硅基激光器的未来可能是微小的原子状结构，称为量子点。

这种激光器可以节省大量能源。加州大学圣巴巴拉分校的研究生贾斯汀诺曼说，用光子元件取代连接设备的电子元件可以减少20%到75%的能耗。“仅通过将激光器和光子电路与硅结合在一起，就可以大幅降低全球能耗。”

然而，硅不具备适合激光的特性。相反，研究人员转向使用周期表第III和第V组的一类材料，因为这些材料可以与硅结合。

Norman说，最初，研究人员努力寻找功能整合方法，但最终最终使用了量子点，因为它们可以直接在硅上生长。量子点是只有几纳米宽的半导体粒子 - 足够小，它们的行为就像单个原子一样。当用电流驱动时，电子和带正电的空穴被限制在点中并重新组合以发光 - 这种性质可被利用来制造激光。

研究人员使用一种称为分子束外延的技术制造了他们的III-V量子点激光器。它们将III-V材料沉积在硅衬底上，并且其原子自组装成晶体结构。但硅的晶体结构不同于III-V材料，导致缺陷，允许电子和空穴逃逸，降低性能。幸运的是，由于量子点以高密度包装在一起 - 每平方厘米超过500亿个点 - 它们在颗粒丢失之前捕获电子和空穴。

诺曼说，这些激光器还有许多其他优点。例如，量子点在光子电路中更稳定，因为它们具有局部原子状能态。它们也可以以较低的功率运行，因为它们不需要那么多的电流。此外，它们可以在更高的温度下运行并缩小到更小的尺寸。

诺曼说，在去年，由于材料增长的进步，研究人员取得了相当大的进步。现在，激光器的工作温度为35摄氏度，没有太大的降解，研究人员报告说，寿命可达1000万小时。

他们现在正在测试可以在60到80摄氏度的温度下工作的激光器，这是数据中心或超级计算机更典型的温度范围。诺曼说，他们还在设计外延波导和其他光子元件。“突然之间，”他说，“我们取得了很大的进步，以至于事情看起来更接近一些。”