近期美國(guó)在光通訊方面研發(fā)屢獲突破，白激光研制成功和新型材料研制成功，有望帶來超快全光通訊，光通訊行業(yè)再迎革命性事件。
美研制成功白色激光
自上世紀(jì)60年代問世以來，激光已在多個(gè)領(lǐng)域“大顯身手”，但它一直有一個(gè)短板，就是只能發(fā)出單一波長(zhǎng)的光?，F(xiàn)在，美國(guó)科學(xué)家解決了這個(gè)問題，他們首次研制出了一款能發(fā)白光的激光器。研究人員表示，白光激光器比發(fā)光二極管（LED）更亮且能效更高，未來將在照明和無線通訊領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)7月30日?qǐng)?bào)道，由美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)電子、計(jì)算機(jī)和能源工程學(xué)院的寧存政（音譯）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)研制出一種新奇的納米薄片。這塊纖細(xì)半導(dǎo)體的大小僅為頭發(fā)絲的五分之一，厚度僅為頭發(fā)絲厚度的千分之一，其擁有三個(gè)平行的部分，每部分能發(fā)出紅、藍(lán)、綠三原色中的一種顏色的激光。整個(gè)設(shè)備能發(fā)射所有可見光的激光，從紅色到綠色再到藍(lán)色，或兩者之間的任何顏色，當(dāng)三原色“相遇”時(shí)，就出現(xiàn)了白色的激光。
最新研究讓激光替代LED成為主流光源向前進(jìn)了一步。激光更亮、能效更高且能提供更精確和生動(dòng)鮮艷的顯示顏色，可用于計(jì)算機(jī)和電視屏幕上。研究人員也證實(shí)，他們的新型設(shè)備能發(fā)出比目前的顯示器工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)多70％的顏色。
該研究的另一個(gè)重要應(yīng)用或?qū)⑹强梢姽馔ㄓ嶎I(lǐng)域，未來室內(nèi)照明系統(tǒng)或也可用于通訊?？茖W(xué)家們目前正在研發(fā)的技術(shù)名為“Li-Fi”（也就是可見光無線通信，利用快速的光脈沖無線傳輸信息）。而現(xiàn)在的“Wi-Fi”使用的是無線電波。Li-Fi的速度可以達(dá)到Wi-Fi的10多倍，而白色激光Wi-Fi可能是目前正在研發(fā)的基于LED的Li-Fi的10到100多倍。
盡管這個(gè)概念非常重要，但要想將這種發(fā)白光的激光器應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中的照明或顯示屏系統(tǒng)內(nèi)，還面臨很大的障礙。研究人員表示，接下來的關(guān)鍵是在電池的驅(qū)動(dòng)下獲得同樣的白色激光。就目前的演示而言，研究人員必須使用一臺(tái)激光器來讓電子發(fā)光。最新實(shí)驗(yàn)將為最終在電操作下獲得白色激光鋪平道路。
新型材料望帶來超快全光通訊
美國(guó)普渡大學(xué)研究人員開發(fā)出一種新的“等離子氧化材料”，有望帶來超快全光通訊技術(shù)，至少比傳統(tǒng)技術(shù)要快10倍。相關(guān)論文發(fā)表在近期美國(guó)光學(xué)協(xié)會(huì)的《光學(xué)》雜志上。
光通信是用激光脈沖沿光纖來傳輸信息，用于電話服務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)和有線電視；而全光技術(shù)無論是數(shù)據(jù)流還是控制信號(hào)都是光脈沖，不用任何電信號(hào)來控制系統(tǒng)。研究人員證明了鋁摻雜氧化鋅（AZO）制造出的光學(xué)薄膜材料是可調(diào)制的。他們用鋁摻雜氧化鋅，在氧化鋅中浸滿了鋁原子以改變材料的光學(xué)性質(zhì)，使它在特定波長(zhǎng)下變得像一種金屬，而在其他波長(zhǎng)下像高電阻介質(zhì)。
AZO薄膜的折射率接近于零，它能利用電子云狀的表面等離激元來控制光。脈沖激光會(huì)改變AZO的折射率，從而調(diào)制反射光的量。這種材料能在近紅外光譜范圍工作，可用在光通訊中，并與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）兼容。
研究人員的設(shè)想是利用這種材料來創(chuàng)造一種“全光等離子調(diào)制器”，或叫光學(xué)晶體管。在電子設(shè)備中，硅基晶體管負(fù)責(zé)開關(guān)電源、放大信號(hào)。光學(xué)晶體管是用光而不是電來執(zhí)行類似任務(wù)，會(huì)使系統(tǒng)運(yùn)行大大加速。
用脈沖激光照射這種材料，材料中的電子會(huì)從一個(gè)能級(jí)（價(jià)帶）移動(dòng)到更高能級(jí)（導(dǎo)帶），留下空穴，并最終與這些空穴再次結(jié)合。晶體管開關(guān)的速度受限于完成這一周期的時(shí)間。在他們的AZO薄膜中，這一周期約為350飛秒，比晶體硅要快約5000倍。把這種速度提升轉(zhuǎn)化到設(shè)備中，至少比傳統(tǒng)硅基電子設(shè)備要快10倍。
基于激光照明實(shí)現(xiàn)Li-Fi有望替代Wi-Fi
你還在為Wi-Fi信號(hào)區(qū)域分布不均并且信號(hào)弱感到惱火么?Li-Fi可能是答案。這項(xiàng)技術(shù)使用基于LED室內(nèi)照明而不是無線電波數(shù)據(jù)傳輸。但Li-Fi的主要支持者的眼光已經(jīng)超于LED，用基于激光照明實(shí)現(xiàn)Li-Fi，數(shù)據(jù)傳輸速率或增加10倍。
“問題是LED燈，雖然它們的能量效率是比白熾燈高，但仍然可以提高它們的光輸出效率。”德國(guó)物理學(xué)家、愛丁堡大學(xué)哈拉爾德·哈斯（HaraldHaas）教授說：“我們相信高效節(jié)能照明的下一波將基于激光二極管”。哈斯和他的團(tuán)隊(duì)研究表明，用激光二極管替換現(xiàn)有的LED燈可以大大改善現(xiàn)在的情形。激光器的高能量與光效率，傳輸數(shù)據(jù)的速率可以比LED快10倍，愛丁堡大學(xué)的激光Li-Fi傳輸速度甚至可突破100G每秒。
由Li-Fi到拐彎變速：激光的那些速度之最
近日，愛丁堡大學(xué)研究表明，用激光二極管替換現(xiàn)有的LED燈可以大大提升Li-Fi數(shù)據(jù)傳輸速率。雖然基于LED的Li-Fi可達(dá)到10Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以改善Wi-fi7Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率上限。激光傳輸數(shù)據(jù)的速率可以很容易超出100Gb/s。
隨著科技發(fā)展，激光技術(shù)已經(jīng)在材料加工領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。另一方面，激光作為先進(jìn)的光源技術(shù)在科研領(lǐng)域正“大展身手”，創(chuàng)造了一個(gè)又一個(gè)速度之最。
1、新型石墨烯光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化速度接近極限
由西班牙光子科學(xué)研究所的研究員弗朗克·科朋斯教授、加泰羅尼亞高等研究院的尼爾克·范·赫斯特、美國(guó)麻省理工學(xué)院的帕博羅·加里洛-赫耶羅，以及加州大學(xué)河濱分校物理系教授劉津?qū)帲ㄒ糇g）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)研制出了這種基于石墨烯的光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化儀，其能在不到50飛秒的時(shí)間內(nèi)將光轉(zhuǎn)化為電，將光電轉(zhuǎn)化速度推到了極限。最新研究已發(fā)表在近期出版的《自然·納米技術(shù)》雜志上。
為了做到這一點(diǎn)，研究人員使用了超快的脈沖激光激發(fā)以及超高靈敏度的電子讀出方法。研究人員克拉斯-揚(yáng)·泰爾說：“這一實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特之處在于，將從單分子超快光子學(xué)所獲得的超快脈沖成型技術(shù)與石墨烯電子技術(shù)完美結(jié)合在一起，再加上石墨烯的非線性光—熱電反應(yīng)，使科學(xué)家們能在如此短的時(shí)間內(nèi)將光轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。”
研究人員稱，由于石墨烯內(nèi)所有導(dǎo)帶載流子之間存在著超快且超高效的關(guān)聯(lián)，在石墨烯內(nèi)快速制造出光電壓是可能的。這種相互關(guān)聯(lián)使他們可以采用一種不斷升高的電子溫度，快速制造出一種電子分布。如此一來，從光吸收的能量能被有效且快速地轉(zhuǎn)變成電子的熱量。隨后，在擁有兩種不同摻雜的兩個(gè)石墨烯區(qū)域的交界處，電子的熱量被轉(zhuǎn)變成電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種光熱電效應(yīng)幾乎同時(shí)出現(xiàn)，被吸收的光可以快速轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。
研究人員表示，最新研究打開了一條通往超快光電轉(zhuǎn)化的新通路?？婆笏箯?qiáng)調(diào)說：“石墨烯光電探測(cè)器擁有令人驚奇的性能，可以應(yīng)用于很多領(lǐng)域。”
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