日期：2015年8月3日

来源：莫斯科物理与技术研究所（Moscow Institute of Physics and Technology）

来自莫斯科物理与技术研究所纳米光电中心纳米光学和等离子实验室的研究人员开发出了一种在芯片上进行光通信的方法，这将有可能降低光学及光电元件的尺寸，并提高计算机性能数十倍。根据他们发表在Optics Express的文章，他们提出了完全消除光学器件表面等离子体能量损耗的方法。

“先前已经提出将表面等离子体激元作为光通信的信息载体，但问题是沿等离子体波的传播，信号衰减迅速。现在，我们已经几乎解决了这一难题。我们的方法明确了新一代高性能光电芯片的发展道路。”该研究负责人Dmitry Fedyanin如是说。

现代电子技术以电子为信息载体，但这已不能满足需求了：芯片上的标准电气铜线和通道不能以适应现代微处理器的足够速度来传输信息。这已经阻碍了微处理器性能的发展；因此，新的突破性技术是维持摩尔定律所必需的。

将电脉冲换成光脉冲可以解决这个问题。光波的高频率（几百太赫兹）能够传输和处理更多的数据，因此，性能可能得到提高。光纤技术已广泛应用于通信网络，但由于波导及其他光学元件不能明显的小于光的波长，光在微处理器和逻辑元件中的使用面临衍射极限问题。光通信中近红外辐射为微米级，不符合电子产品的需求。现代标准处理器的逻辑元件只有几十纳米大小。一旦光可以“压缩”到这一尺度，“光电子”将具有竞争力。

将光子转换成表面等离子体激元，有可能克服衍射极限。其中，表面等离子体激元是金属与绝缘体界面处光子和电子振荡之间相互作用导致的集体激发。根据它们的性质，也可称为准粒子，相当于类似于标准粒子（如光子或电子）。不同于三维的光波，表面激元“抓住”两种介质间的边界。这使得从传统三维光学转换到二维光学成为可能。

“粗略来讲，光子在空间中占据一定的体积，这取决于光波的顺序。我们可以进行‘压缩’，将其转换成表面等离子体激元。采用这种方法，我们可以提高光学元件的集成密度，并减小其尺寸。不幸的是，这种精妙的解决方法也有其副作用。为了存在表面等离子体激元，需要有金属，更具体的说是金属中的电子气。这会导致过高的焦耳损耗，类似于电流通过金属丝或电阻的情况。”Fedyanin博士如是说。

据他介绍，由于金属的吸收，表面等离子体能量在约一毫米的距离内降低了十亿倍，这使得实际执行的表面等离子体激元变得毫无意义。

“我们的想法是通过将额外的能量转移到表面等离子体激元，来补偿表面等离子体激元的损耗。同时也应该看到，如果我们想要将等离子体波导集成到芯片上，我们只能采用电浆。”研究人员这样解释。

他和他的同事Dmitry Svintsov和Aleksey Arsenin已经开发出了一种基于金属-绝缘体-半导体（MIS）结构的等离子体波导的泵浦新方法，并对其进行了模拟。结果表明，通过纳米级等离子体波导相对较弱的泵电流可以完全补偿表面等离子体激元的损耗。这意味着长距离（芯片标准）无损耗传输信号成为可能。同时，这种活性等离子体波导的集成密度比光子波导的集成密度高了一个数量级。

“在光电方面的研究，我们始终需要找到光学和电学性能之间的妥协，而等离子体是几乎不可能的，因为金属的选择只有三、四种材料。这种方案的主要优点在于它不依赖于金属-半导体接触的性质。对于每一个半导体而言，我们都可以找到合适的绝缘体，使其在双异质结构激光器中达到相同的效率级别。同时，我们能够将典型的等离子体结构尺寸保持在100纳米的级别上。”Fedyanin说。

该研究还指出，他们的研究结果在等待实验的验证，但关键的难题已经消除了。

新材料在线编译整理——翻译：菠菜   校正：摩天轮