用于光通信的纳米LED与纳米激光器的物理极限

纳米尺度光源因其有望实现低能耗、高密度的光通信与传感系统而受到深入研究。基于光子晶体与等离激元结构等先进纳米光子学概念，纳米发光二极管（nanoLED）与纳米激光器均已被考虑，其尺寸已深入亚微米领域。随着尺寸减小，光与物质相互作用增强，可能在自发与受激辐射两种机制下实现高效且超快的辐射发射。这些特性使人们对这类纳米光源的实际应用前景，特别是光互连，寄予厚望。本文考察了LED与激光器尺寸缩小的极限，并探讨哪类光源最适合超低功耗光通信。基于室温下半导体有源区自发与受激辐射速率随尺寸缩放的简单物理考量，我们分析了nanoLED与纳米激光器速度与能耗极限随尺寸的变化关系。同时重新审视了实际纳米光子光源中自发辐射增强（Purcell效应）的作用。主要结论是：nanoLED在数据率超过几 Gb/s 时达到基本的能量/速度极限，而具有数百纳米量级有源尺寸的纳米激光器可在适用于短距离、低能耗光互连的功率水平下实现大于 40 Gb/s 的直接调制速率。