Electronic Engineering Department, The Chinese University of Hong Kong - Dr. T. K. Liang

This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., a PhD graduate of our Department under the supervision of Prof. H.K. Tsang is one of the recipients of the Award for the Best Research Output by Research Postgraduate Students 2004.

今年2月份出版的權威科學雜誌Nature 裏,來自英特爾(Intel)公司的科學家成功展示了世界上第一台用硅(Silicon) 製成的連續性激光器(Laser)。一直以來,硅是製造「集成電路」的主要材料,但是由於硅本身的某些光學特性尚未解決,因此它在激光器上的應用仍非常有限。

在光纖通訊方面,激光器是個相當重要的元件。它能提供光源,將高速電訊號轉換成光訊號,透過光纖傳到遠方。製成激光器的材料,最基本條件是可用來放大光訊號。傳統激光器都是利用半導體合成材料製成 (例如鋁、銦、磷和砷等),而以硅來製造激光器是科學家多年來的夢想和研究方向。

早在2003年,美國的科學家已經嘗試利用硅原子的共振特性,將一個光子複製成兩個甚至多個光子,在硅物料上直接放大光訊號。但是在實驗過程中 ,由於某些不明原因,科學家並未能得到預期效果。

香港中文大學電子工程系的曾漢奇教授This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.,最近通過實驗成功找出了為何未能製成硅激光器的箇中原因 。他們的研究成果已率先在2004年4月份的國際科學文獻 - Applied Physics Letters 上發表。原來,如果通過硅的光子數量過多 ,雖然有一部份的光子會被放大,但是也有一部份的光子會同時被硅原子所吸收,透過能量轉換,就會變成過剩電子。而這些過剩電子又會轉過頭來吸收更多的光子 。當被吸收的光子數量比複製的光子數量更多時,整體上就失去了放大光子的效能。

基於以上發現,他們成功破解了難題並製造出世界上第一台用硅的光放大器。輸出的光訊號比輸入的大了六倍。該研究成果也已在2004年10月份的Applied Physics Letters 上發表 。他們在實驗中使用了光脈衝(pulse) 替代了一般使用的連續光訊號,大大減低了被吸收的光子數量。由於過剩電子數量的遞減,被放大的光子比被吸收的光子更多,因此硅就能夠用來放大光訊號。及後,美國加州大學洛杉機分校(UCLA)也用同樣的原理造出了脈衝性硅激光器。而最近,英特爾的研究人員更使用了另一方法抽取出硅裡面的過剩電子,從而製造出第一台硅連續激光器。

為何用硅製造的激光器有此吸引力呢?舉個例子,雖然現代微處理器(CPU)的時鐘頻率(Clock)一直不斷增加,但電腦的整體速率卻受制於微處理器與存儲器之間的資料傳輸速度。兩者之間的接口一般都是使用銅導線以電子形式進行數據交換,因此也受制於銅線本身的有限傳輸速率。如果將電子訊號轉換成光,資料傳輸速率便能大大提高。並且,由於微處理器和存儲器都是用硅製做的,硅激光器便能夠和其他電子元件相結合,從而設計出光電子芯片。此外,電腦系統和週邊設備如顯示器,DVD機等的數據交換也是以電子形式進行,如果能將該電訊號轉換成光訊號再透過光纖送出,傳輸速度將會快上幾千甚至萬倍。

由於硅是地球上最普遍的物質 (可以從沙石中提煉出來),因此用硅製做光器件的成本就變得非常低。硅激光器的出現,價格低廉的通訊服務在不久的將可望實現。