互动科普

追寻硅激光

撰文  巴赫拉姆·贾拉利（Bahram Jalali）

翻译  虞骏

审校  冯衍

成本低廉的硅芯片，使工程师拥有了操控电流的能力，让电子乖乖地在电脑、手机和其他消费电子产品中执行各种各样的任务，实现五花八门的功能。然而，在某些应用领域，特别是数据信号传输方面，电子并不是执行任务的最佳选择。用激光替代电流，可以将现有技术的数据传输速度上限，再提高好几个数量级。例如，为家庭提供网络连接的电缆调制解调器（cable modem），如果改用激光来传输数据，传输速率就将提高整整1万倍，轻松传输超大的高清视频文件。光与电的携手合作，还可以在许多应用领域大显身手。例如，光电技术可以将“芯片实验室”（lab-on-a-chip）的诊断分析能力与无线设备的通讯能力整合起来，应用到大规模环境监控和安全防卫领域，用来检测污染物、化学武器和爆炸品等。

与硅芯片相比，现有光电设备使用的激光材料，不但昂贵许多，来源也不广泛。如果能够找到某种方法，让硅发射高强度光束，进而像操控电子一样驾驭光子，必将大大降低这些器件的成本。为了这个目标，科学家已经坚持不懈地努力了几十年，但是硅的本性总是阻碍着他们取得成功。如今，我的研究小组率先让硅发出了激光，然后又有好几个科研团队实现了这一点，这些进展将推动现有的电子设备大步迈入光电时代。

先天不足

硅的固有性质决定了它无法高效发光，而且基本不具备光放大能力。而高效发光和光放大，正是产生激光的两大基本步骤。在发射激光这方面，硅显得天资愚钝。

为什么我们花了这么长的时间，才让硅学会了发射激光呢？简单地说，这与产生激光的两个基本步骤有关。常见的激光材料，例如DVD光驱中的砷化镓，处于激发态时能够高效发光（这是第一步），发出的光子又会“刺激”其他原子释放更多光子（第二步），最终将光放大成激光。硅在这两方面都先天不足，不过要想真正理解这一点，我们还得从激光器的工作原理说起。

在激光器中，外部能量通常会以光或电流的形式输入到产生激光的媒质之中，将媒质原子中的电子“泵浦”（pump）到较高的能级，物理学家将这种状态称为激发态（excited state）。当这些原子回到原来的状态（又叫基态，ground state）时，多余的能量就会以光子的形式释放出来。这些光子朝任意方向随机射出，最终产生低强度的漫射光，就像荧光灯管发出的光线一样。这个过程被爱因斯坦称为“自发辐射”（spontaneous emission）。

自发辐射产生的一个光子，如果从一群已被泵浦到高能级的电子中穿过的话，就会“激励”（stimulate）这些电子同时释放过剩的能量。由此产生的光子都会朝一个方向射出，而且振荡的步伐也协调一致，这样就产生了方向性极好的光束。这一概念最早是由爱因斯坦在1917年发表的一篇论文中提出的，他把这个过程称为“受激辐射”（stimulated emission）。接下来，随着光束在媒质中其他处于激发态的原子间穿行，它的光子又会激励更多的电子，释放出越来越多的光子。整个过程犹如白雪皑皑的高山上，一个小小的雪球越滚越大，最终导致雪崩一样。

在随后的近40年里，爱因斯坦的预言没有引起太多的关注。直到20世纪50年代，物理学家才开始意识到，这一现象可以被应用到光学设备上。1958年，查尔斯·汤斯（Charles Townes）和阿瑟·肖洛（Arthur Schawlow）提出设想，在具备受激辐射能力的光放大材料的部分表面，包裹上镜面涂料，把材料中产生的一部分光子反射回去。这样一来，受激辐射就会像链式反应一样，不断地自我强化。一旦发展成熟，这种方法就能产生具有特定波长的强大光束——激光。两年后，西奥多·梅曼（Theodore Maiman）演示了世界上第一台可以运作的激光器，采用的激光材料是红宝石晶体，为它提供浦泵能量的则是一盏强光灯。

事实证明，与红宝石晶体和其他激光材料相比，硅只称得上“资质平庸”。硅是一种半导体，它的导电性能介于优良导体（例如铜）和绝缘体（例如橡胶或某些陶瓷）之间。半导体中的电子都位于能带之中，能带的性质决定了它的电性能，同样也决定了发射激光的潜质。不过能带又是什么呢？

受到量子理论的约束，半导体中的一些能级“允许”电子占据，另外一些则“禁止”电子占据。电子能够占据的能级范围就被称为能带，能带之间的间隙则是电子无法占据的能级范围。处在原子外侧轨道上的一个电子，既可以吸收一个光子获取能量（跃迁到高能带），也可以发射一个光子释放能量（落回到低能带）。物理学家将这种相互作用，视为光子与电子之间发生的某种散射碰撞。

我们可以把能带看成可以装盛电子的“水桶”，这些“水桶”的位置高低不一。通常，几乎所有的电子都会呆在较低的水桶中，而较高的水桶基本上空无一物。但是，如果一个光子与一个电子发生碰撞，而且光子的能量能让电子跳过能带间隙，这个电子就会被泵浦到高能带中。就像往较低的水桶中丢一块够大的石子，水花就会溅到较高的水桶中一样。这就是光吸收（Light absorption）效应，光电池将光能转化为电能的基本原理也同出一辙。

要让这种材料产生光子，就必须让它吸收足够多的能量，将低能带中的大量电子泵浦到高能带中，实现所谓的粒子数反转（population inversion），当然这里的“反转”是相对于能带中通常的电子分布情况而言的。要实现粒子数反转，用不着将整个能带中的电子全都搬到高能带中去，只要影响处于低能带顶层附近的电子就行了。工程师们经常迫使电流流过半导体二极管，通过这种方式来直接激发电子。像梅曼那样用外部光源照射半导体，也能将电子泵浦到高能带。

高能带中的电子最终会释放能量，发射光子。由此产生的光子在半导体中穿行时，如果半导体中有许多电子处在高能级（即半导体处于粒子数反转状态），半导体就会受激辐射，“抛”出更多的光子。在最理想的情况下，半导体辐射的光子能量刚好等于它所吸收的能量。

在这些辐射和吸收过程之中，尽管电子和光子交换了能量，系统的总能量却是守衡的——也就是说，能量的输出等于能量的输入，这是由能量守衡定律决定的。不过吸收和辐射过程的发生，还必须遵守动量守衡定律。对于在晶体中穿行的一个光子来说，动量由它的波长直接决定，你可以把它理解成光子保持原有运动方向、继续前行的趋势。光子是纯粹的能量包，在电子与光子的散射碰撞中，它的动量几乎可以忽略不计，因此只有当高能带与低能带中的电子拥有相同的动量时，辐射和吸收过程才最容易发生。在砷化镓和磷化铟等常用的激光材料中，高低能带中电子的动量是相等的——如果以能量和动量为坐标画出它们的能带，高能带恰好位于低能带的正上方。这样的“对齐”关系，使得能量可以在电子和光子之间直接交换（参见本页插图）。一种物质是否拥有这种对齐关系，则由这种材料的晶格中原子的排列方式所决定。

对于硅来说，由于它的原子晶体结构并不理想，本身就没有这种对齐关系——也就是说，这种材料的高能级与低能级之间，电子的动量存在着巨大的差异。[用比较专业的话说来，能带描述了电子可能占据的量子态（quantum state）；每一种量子态都拥有一个物理量，可以被视为经典物理中的动量，在碰撞过程中必须保持守衡。]因此，电子无法在满足动量守衡条件下，轻易与光子交换能量。事实上，它们必须等到硅晶格中的一个振动波，即所谓的声子（phonon），携带着必不可少的额外动量，适时出现在这里，充当起中介的角色之后，才能完成能量的转换。不幸的是，硅晶体中的许多电子往往还没有等到合适声子的出现，就已经将它们的能量以热能的形式耗散掉了。因此，硅晶体辐射光子的效率极低：大约每100万个处于激发态的电子，才会有1个成功地释放出光子。而砷化镓之类的常见激光材料辐射光子的效率大约是硅的1万倍。

上述原因虽然限制了硅激光器的效率，但是并没有阻碍硅晶体发射激光。硅的另外两个固有性质才是真正的绊脚石。第一块绊脚石与自由载流子吸收（free carrier absorption）有关，这一过程发生在同一个能带之中。设想一群电子（即自由载流子）已被泵浦到高能带中，当一个光子经过，与一个电子发生相互作用时，就有可能发生两种情况：电子在光子的激励下辐射出另一个光子，然后掉回较低的能带，实现光的放大，有利于激光的产生（即受激辐射过程）；或者电子吸收光子之后，只是移动到高能带中的较高位置，无法产生另一个光子，也就无法实现光放大，不利于激光的产生（自由载流子吸收）。这两种效应此消彼长，谁占上风取决于已被泵浦到高能带中的电子的数目。

在砷化镓这样的理想激光材料中，高能带较为狭窄，而且边缘陡峭，只能容纳很少的电子。相反，硅的高能带不仅更宽，边缘也更加平缓，需要更多电子才能填满。这样一来，硅晶体中发生自由载流子吸收的可能性就大得多。因此，在受激辐射的效率方面，硅晶体又一次落在了砷化镓的后面——砷化镓辐射的总光子数很容易超过它所吸收的光子，而硅则基本不具备光放大能力。

另一块绊脚石则与一种名叫俄歇复合(Auger recombination)的过程有关。在这个过程中，处于高能带中的电子非但不发射光子，反而会将多余的能量转移给其他电子，最终转化为热量，并消耗殆尽。这一过程中浪费掉的光能总量，取决于高能带中出现的电子数目。为了克服辐射光子效率方面的“低能”，硅必须将更多电子泵浦到高能带，但这样一来，反倒使它经历的俄歇复合过程远远超过砷化镓，使硅辐射光子的效率变得更低。

走出困境

将电子关进量子牢笼，它就会变得更加躁动不安，这种现象提高了硅晶体的发光能力，催生出许多技术创新，为硅激光的产生带来了希望。

过去5年来，研究人员已经找到了一些绕开绊脚石的方法。例如，利用一种被称为量子限域（quantum confinement）的现象，就能增强硅辐射光子的能力。当电子的运动在一个或多个方向上受到限制时，这种现象就会出现。一个电子在空间的三个维度上都受到约束，那么它就处于一个量子牢笼之中，牢笼的尺寸越小，电子就越加“躁动不安”。这种效应是海森堡不确定性原理（Heisenberg uncertainty principle）的结果，换句话说，电子的位置被约束，它的速度就会更加随机不定，动量（等于质量乘以速度）也因此变幻多端。这种情况大大降低了电子-光子能量转换必须满足的动量守衡门槛，提高了硅半导体辐射光子的效率。

为了给硅建造量子牢笼，研究人员可以制作一片硅石（二氧化硅）玻璃薄膜，并将硅晶体的细微颗粒植入其中。这些纳米晶体（nanocrystal）的宽度仅为几个原子，因此能够实现量子限域。用外部光源照射这些纳米晶体，就可以将其中的电子泵浦到高能带。2000年，意大利特兰托大学（University of Trento）洛伦佐·帕韦西（Lorenzo Pavesi）领导的科研小组率先公布了硅纳米晶体实现光放大的证据。物理学界最初对此一片质疑之声，但是美国罗彻斯特大学的菲利普·福谢（Philip Fauchet）和其他研究人员很快就验证了这一结果。尽管这种方法还没有转化为实用的激光器，它却催生了其他一些技术创新，并取得了令人鼓舞的成果。

其中一项创新与稀土元素（rare earth element）的使用有关。科学家知道，像铒这样的稀土元素是理想的发光材料。设备制造商将铒掺入光纤的玻璃材料中，就能制造出适合电信网络使用的泵浦光放大器和光纤激光器。意大利卡塔尼亚大学（University of Catania）的弗朗切斯科·普廖洛（Francesco Priolo）和总部设在日内瓦的意法半导体公司（STMicroelectronics）的萨尔瓦托雷·科法（Salvatore Coffa）对这种方法展开了研究，试图用它来改善硅的光学性能。科法的研究小组已经成功研制出一些硅基发光二极管（light-emitting diode，缩写为LED），它们能在室温下运行，发光效率与常见的、用砷化镓制作的LED不相上下。

意法半导体公司的硅基LED其实是金属-玻璃-半导体叠合成的“三明治”。在金属和半导体之间，一个稳定的电压驱使着电子从玻璃中穿过。在这个过程中，这些电子就会将玻璃中铒原子的电子泵浦到高能带，使它们发光。在这个特例中，纳米晶体中的量子限域起到了一个恰如其分的作用：增加玻璃的导电性，从而降低了产生电流所需的电压值。尽管这项技术非常有用，但是它输出的只是自发辐射产生的漫射光，而不是受激辐射产生的激光。不过意法半导体公司的研究人员深信，让掺铯的硅发出真正的激光只是个时间问题，而且不会太久。

最近，美国布朗大学的许竟鸣（Jimmy Xu）领导的科研小组观察到，在-230℃的低温下，一片纳米结构硅材料发出了激光（参见第79页插图），不过对于实际应用来说，这个温度实在太低了。许竟鸣的科研小组先在一片硅薄膜的表面钻出密密麻麻的规则小孔，每个孔相距110纳米，然后用光来激励硅晶体，激光就是在这种情况下出现的。许竟鸣和他的小组把他们观察到的激光发射现象，归因于纳米结构硅晶体表面自然出现的晶格缺陷（lattice defect）。他们还将辐射增强现象，归因于电子的位置受到紧密限制而产生的电子动量的量子不确定性。这些微观结构打开了一扇激动人心的、通往纳米尺寸硅激光器的大门，不仅能够充分利用硅元素发射可见光激光的能力，还能将这种元素作为反射镜和滤镜的功能发挥得淋漓尽致，熟练地掌控它们发出的光线。这类设备也许将在未来的电信网络中发挥重要作用。

另辟蹊径

除了电子之外，光子还可以从声子中获取能量。利用光子与声子之间的相互作用，巧妙地避开硅晶体的弱点，科学家为硅激光的产生开辟了一条新的途径。

给半导体晶体中的电子提供能量，将它们泵浦到高能带，并不是放大光线的唯一途径。研究人员还在追寻通往硅激光器的其他路径。比如，如果能给半导体晶体中的声子增加能量，一束微弱光线从晶格中穿过时，就能获得这些能量，从而实现放大；将一部分经过增强的光线再输回晶体之中，就能制成一个激光装置。

2002年及2003年，在美国国防部高级研究项目局（Defense Advanced Research Projects Agency）的资助下，由我领导的、美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的研究小组证明，利用这种技术确实能够让硅芯片产生并且放大光子。到了2004年，我们演示了世界上第一台硅激光器。与梅曼的第一台激光器一样，我们也用外置光源来泵浦我们的设备，所不同的是，我们的光源是为声子提供能量的。通常，光是一种效率较低的泵浦能源，不过令人吃惊的是，我们的硅激光器将泵浦能量转换为光的效率，几乎可以与今天的传统激光器相媲美。此后不久，我们就把这种激光设备置入了二极管中，成功地用电力实现了激光器的开关控制。

科学家将光与声子的相互作用称为拉曼效应（Raman effect）。20世纪六七十年代，科学家曾经广泛利用这种效应，来探测包括硅在内的许多材料的物理性质。最近，工程师还借助这种效应，给光纤赋予了光放大器和激光器的功能。要实现这些功能，光纤必须长达好几千米，因此早期的研究人员没有意识到，这是制造硅激光芯片的一种可行方案。不过，我的研究小组注意到了一个被所有人忽略的事实：硅晶体中的拉曼效应，比玻璃光纤中的拉曼效应强1万倍。如此巨幅的强度提升完全归功于硅晶体中排列得井然有序的原子结构（这一回，硅的固有性质终于给激光的产生帮上了忙）。相比之下，光纤玻璃中原子的排列杂乱无章，因此拉曼效应总是不明显。

借助拉曼效应产生激光的设备被称为拉曼激光器，必须依靠外部光源为它提供泵浦。由于前面提到的自由载流子吸收问题，硅晶体高能带中的电子会降低发光效率。为了避免出现这种情况，我们选用了波长为1,500纳米的红外线来泵浦硅晶体。这种红外线光子的能量略低于硅能带间隙的能量，因此无法有效地将电子泵浦到高能带。不过，两个光子有时候会将它们的能量合二为一，将一个电子激发到高能带。虽然这种电子相当罕见，但仍然会“蚕食”系统的能量。

拉曼激光器并不是这种能量损失的唯一“受害者”。2006年，美国康奈尔大学的亚历山大·加埃塔（Alexander Gaeta）和米沙尔·利普森（Michal Lipson）演示了一种颇具潜力的设备，将光与另一束更强的光混合在一起，就能实现光放大。这种放大器，以及将来以它为基础研制出来的激光器，都会跟拉曼激光器一样，深受上文提到的能量损失之苦。

我们的第一台硅激光器发出的是脉冲激光，不让电子有积聚和汲取系统能量的机会，从而避免了能量损失。要发出连续激光，则可以给激光器施加一个电场，把徘徊在硅晶体上的多余电子清除干净。中国香港大学的研究人员提出了这个构想，英特尔公司的荣海生（Haisheng Rong）及其同事在2005年将它变为了现实。最近的调查研究表明，这种方法起到的效果十分有限，因为硅晶体中电子移动的最高速度仅为光速的千分之一，大大限制了清除电子的效率。这种方法还需要巨大的电力作为后盾。幸运的是，我们找到了一些改善硅激光器效率的窍门：用质子轰击硅晶体，或在硅中掺入少量的铂，都会迫使电子更加迅速地回到低能带，减少自由载流子吸收的发生，降低宝贵的光子被无谓吸收的几率。

这些措施减少了高能带中电子的数目，最大程度地降低了它们对光的再吸收。但是，清除电子只解决了问题的一个方面。电子会在无意间吸收两个光子而被激发到高能带，此时这些设备仍然会损失泵浦能量。利用从太阳能电池领域借来的一个小技巧，我的研究小组在2006年证明，拉曼硅激光器可以将损失的泵浦能量采集起来产生电力。这些无意间出现的高能带电子可以在硅晶体中流动，从而形成电流。通过某种方式来安排这些电子的流动，我们可以使设备的电功率消耗（也就是电流与电压的乘积）变成负值——换句话说，激光器非但不消耗电能，反而会发电。（这并不是永动机，因为激光器的能量是由泵浦光源提供的。）采集的电能可以用来驱动同一块芯片上的电路。

我的研究小组后来证明，如果一开始就用波长长于2,300纳米的光作为泵浦光源的话，所有困难都会迎刃而解。这种光子的能量极低，即使一对光子同时作用于一个电子，总能量也不足以将它激发到对拉曼激光器毫无用处的高能带中。我们发现，在波长为2,300纳米~7,000纳米的红外线泵浦光的照射下，硅变成了的优良激光材料。（波长一旦超过7,000纳米，其他的不良效应又会出现。）现有的其他半导体激光器无法发出这种波长的激光，因此硅激光器技术的出现，无疑会推动一大批新技术应用的发展。硅还是发射超强激光束的理想材料，因为在所有的激光材料中，既拥有良好的热传导性，可以将多余热量及时传走，又在高强度光照下具有超强耐力，不至于遭受破坏的材料，非硅晶体莫属。

科学家还开发出了另一种制造硅激光器的方法，看起来也颇有前途。这种“混合”技术的原理，是将少量的砷化镓或磷化铟添加到硅衬底的顶层。从传统上讲，从事硅材料研究的科学家对混合技术存在着抵触情绪，因为在硅中添加其他物质会改变它的电性能，因此这些物质都被视为污染物。不过，美国密歇根大学安阿伯分校和加利福尼亚大学圣芭芭拉分校的研究小组最近取得的成果却令人鼓舞，重新燃起了科学界对这种方法的兴趣。如果研究人员能够克服材料的不相容问题，这种方法也许可以为硅激光器的商业化提供另一条捷径。

科学家对硅激光器的执著追求终于有了回报。硅材料似乎已经摩拳擦掌，打算向传统激光材料发出强有力的挑战。这方面的进展将使电子学与光子学不可避免地融为一体。尽管现在预言新兴的光电产业最终将采用哪一种技术还为时过早，但硅激光器即将带来的新技术应用，很可能会彻底改变我们的日常生活。