高技术微腔激光器及其列阵的发展OeveloPmentofMieroeavityLasersandTheirArrays于荣金(中国科学院长春物理研究所,研究员长春130021)王玉堂(国家自然科学基金委员会,研究员北京100083)当今世界,材料、能源和信息是组成社会物质生产活动和精神生产活动的三大重要资源,并且能源、交通、材料和信息是一个国家的四大基础产业。我国也把信息科学作为优先发展的四个学科(生命科学、信息科学、能源科学和环境科学)之一。随着科学技术的进步,人类已经步人“信息时代”。信息时代的基础是计算机和通信以及两者的结合—信息网络,也就是首先由美国提出而现在世界各国都在着手建设的信息基础结构(Informo-tion一nfrastrueture)。信息基础结构建成之日,就是人类真正进人信息社会的自由王国之时。信息科学是由电子学和光子学这两门学科构成的,相应地,信息技术则是由电子技术和光子技术构成的。电子学、电子器件和设备、电子技术在信息领域占有主导地位,起重要作用。人们已认识到:通信和计算机研究及发展的未来世界属于光子学领域,例如,信息高速公路的主要干线就是光纤通信系统。因此,一些专家预言:“光子时代已经到来”,“光子技术将引起一场超过电子技术的产业革命”,并“将给工业和社会带来比电子技术更为巨大的冲击”。世界各国对发展光子学的重视程度和优先地位也说明了这个问题。例如,美国国防部、能源部提出的20项关键技术,其中光子学排在第五位;德国联邦研究与技术部组织德国最大的八个研究所参加研讨并提出21世纪九项关键技术,其中光子学排在第四位。微腔激光器的尺寸只有微米甚至亚微米量级,一个平方厘米的片子上,可以集成几百万甚至上亿个激光器,使光子元件的集成度达到完全可以与当今超大规模集成电路相比的程度。因此,微腔激光器的诞生,使光子学跨越固态光子学阶段,直接进人微光子时代的超大规模集成光子回路阶段。微腔激光器不仅使集成度产生飞跃,而且使其它性能也得到改善。每个微腔激光器的阑值电流只有亚毫安甚至可进一步降低至微安量级,即使10万个激光器同时工作,其总的功耗也只有几瓦。同时,这些激光器还有超高速(T日z)的调制速率。微腔激光器及其集成的二维面阵,是一种适合大批量生产、低成本、高效和高密度的光源,对实现和发挥光学巨平行的计算、传输和处理,有不可替代的作用,适用于低功率的光互连、巨平行的数字光计算、多头存储器、二维扫描、多信道光纤通信、激光打印和信息显示等广泛的领域。它与大规模、超大规模集成电路一样,是一个国家信息产业(也是光子学)发展的必由之路,是今后信息产业的重要基础,因此需要不失时机地对它进行深人研究和开发。它进人实用化之后,可带动一大批信息高技术产业,对光计算机、光纤通信、信息显示以及整个光信息处理技术的发展,都具有极为深远的意义。微腔激光器及其列阵的研究,涉及多个学科,因此对它的研究不仅对光子学,而且对凝聚态物理、材料科学、信息科学以及纳米尺寸的微加工技术等都具有带动性。它所涉及的内容都是这些学科和技术领域当今最前沿或关键的部分。一、微腔激光器及其列阵的发展概况所谓微腔激光器,就是一类谐振腔尺寸很小的激光器。一个理想的立方形微腔,其尺寸应为入/Zn,其中n为腔内材料的折射率,入为谐振波长。例如对于一个由折射率为3.5、谐振波长为0.84微米的半导体所构成的微腔,其边长尺寸仅为0.12微米。当然在实际上,尺寸可以放宽,仍能在发射的光谱区内得到一个模式,同时也可与目前的微加工技术相适配。一般,微腔要求至少有一维的尺寸在光波长的量级,某些微腔激光器的有效腔长也可以大于一个光波长。微腔的引人,可以使凝聚态物质中腔量子电动16SeieneeandTeehnologyReview11/1995力学效应得以实现,并提供丰富的例证。同时,不仅使激光器的尺寸得到大幅度的减小,而且可控制自发发射,使激光器的性能得到重大的改进。自发发射速率并非一个原子不可改变的特性,而是原子和真空场藕合的结果,而且如果没有真空场的起伏,自发发射将会消失。真空场使原子受到扰动和极化,反过来,感生的原子偶极又去扰动和极化真空场。因此,可以利用谐振腔结构调制真空场的起伏,对自发发射速率加以控制。一个适当设计的具有极短腔长的微腔内光...
