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A micrometre-scale Raman silicon laser with a microwatt threshold

机译：具有微瓦阈值的微米级拉曼硅激光器

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The application of novel technologies to silicon electronics has been intensively studied with a view to overcoming the physical limitations of Moore's law, that is, the observation that the number of components on integrated chips tends to double every two years. For example, silicon devices have enormous potential for photonic integrated circuits on chips compatible with complementary metal-oxide-semiconductor devices, with various key elements having been demonstrated in the past decade. In particular, a focus on the exploitation of the Raman effect has added active optical functionality to pure silicon, culminating in the realization of a continuous-wave all-silicon laser. This achievement is an important step towards silicon photonics, but the desired miniaturization to micrometre dimensions and the reduction of the threshold for laser action to microwatt powers have yet to be achieved: such lasers remain limited to centimetre-sized cavities with thresholds higher than 20 milliwatts, even with the assistance of reverse-biased p-i-n diodes. Here we demonstrate a continuous-wave Raman silicon laser using a photonic-crystal, high-quality-factor nanocavity without any p-i-n diodes, yielding a device with a cavity size of less than 10 micrometres and an unprecedentedly low lasing threshold of 1 microwatt. Our nanocavity design exploits the principle that the strength of light-matter interactions is proportional to the ratio of quality factor to the cavity volume and allows drastic enhancement of the Raman gain beyond that predicted theoretically. Such a device may make it possible to construct practical silicon lasers and amplifiers for large-scale integration in photonic circuits.%硅是微电子产业的主要材料，但其作为“光子”材料的性能却不出众。然而，人们存给硅赋予有用的光学特性方面已取得了很大进展，最大的成果就是实现了一种“全硅”激光器。现存，Yasushi Takahashi及其同事又对“硅激光器”在架构上做厂个新的改变，演示了向这样一个结构中引入一个“光子-晶体纳米腔”何以能极大降低所获装置的大小和阙限功率(在该功率下它开始表现为一个激光器)——这两个参数都是与其他光子线路和电子线路进行大规模集成所必需的。
机译：为了克服摩尔定律的物理局限性，即观察到集成芯片上的组件数量趋于每两年翻一番的现象，已经对新技术在硅电子学中的应用进行了深入研究。例如，硅器件对于与互补金属氧化物半导体器件兼容的芯片上的光子集成电路具有巨大的潜力，在过去十年中已经证明了各种关键元件。特别是，对拉曼效应的利用已经为纯硅增加了有源光学功能，最终实现了连续波全硅激光器。这一成就是朝着硅光子学迈出的重要一步，但尚未实现所需的微型化尺寸和将激光作用的阈值降低至微瓦功率的要求：此类激光器仍限于阈值高于20毫瓦的厘米大小的腔体，即使借助反向偏置的pin二极管也是如此。在这里，我们演示了使用光子晶体，高品质因数的纳米腔而没有任何p-i-n二极管的连续波拉曼硅激光器，所产生的器件的腔体尺寸小于10微米，激光阈值前所未有地低至1微瓦。我们的纳米腔设计利用了光物质相互作用的强度与品质因数与腔体体积之比成正比的原理，并允许拉曼增益大大提高，超出了理论上的预测。这样的设备可以为大规模集成在光子电路中构建实用的硅激光器和放大器。％硅是微电子产业的主要材料，但其作为“光子”材料的性能却不出众。给存入硅有用有用的光学特性方面已取得了很大的进展，最大的成果就是实现了一种“全硅”激光器。现存，Yaushi Takahashi及其同事又对“硅激光器”在架构上做厂个新的改变，演示了向这样一个结构中约会一个“光子-晶体纳米腔”何以能大大降低所获装置的大小和阙限功率（在该功率下它开始表现为一个激光器）-这两个参数都是与其他光子线路和电子线路进行大规模集成所必需的。

著录项

  • 来源
    《Nature》 |2013年第7455期|470-474395|共6页
  • 作者

    Yasushi Takahashi; Yoshitaka Inui; Masahiro Chihara; Takashi Asano; Ryo Terawaki; Susumu Noda;

  • 作者单位

    Nanoscience and Nanotechnology Research Center, Research Organization for the 21st Century, Osaka Prefecture University, Sakai, Osaka 599-8570, Japan, Japan Science and Technology Agency, PRESTO, Kawaguchi.Saitama 332-0012, Japan.;

    Departmentof Electronic Science and Engineering, Kyoto University, Kyoto 615-8510, Japan.;

    Nanoscience and Nanotechnology Research Center, Research Organization for the 21st Century, Osaka Prefecture University, Sakai, Osaka 599-8570, Japan.;

    Departmentof Electronic Science and Engineering, Kyoto University, Kyoto 615-8510, Japan.;

    Nanoscience and Nanotechnology Research Center, Research Organization for the 21st Century, Osaka Prefecture University, Sakai, Osaka 599-8570, Japan.;

    Departmentof Electronic Science and Engineering, Kyoto University, Kyoto 615-8510, Japan, Photonics and Electronics Science and EngineeringCenter, Kyoto University, Kyoto 615-8510, Japan;

  • 收录信息 美国《科学引文索引》(SCI);美国《工程索引》(EI);美国《生物学医学文摘》(MEDLINE);美国《化学文摘》(CA);
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 eng
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