Zjednodušeně řečeno laserový paprsek vzniká během procesu, při kterém foton dopadne na atom a přiměje jeho elektrony k přechodu do nižšího energetického stavu za vyzáření dalšího fotonu. Původní foton se přitom nemusí pohltit a oba fotony pak letí stejným směrem (mají stejnou vlnovou délku a fázi). Pokud do tohoto systému zavedeme kladnou zpětnou vazbu (například jedním polopropustným a jedním nepropustným zrcadlem), proces se lavinovitě zesiluje a hovoříme o tzv. stimulované emisi.
Křemík je nejpoužívanějším prvkem v elektronice — je levný a má dobré polovodičové vlastnosti. Dnešní obyčejný procesor v osobním počítači obsahuje kolem 100 milionu tranzistorů o rozmerech 100 nm. Polovodič se ale nehodí k přenosu signálu a proto se užívá měděných spojů. Jenže při takovém množstí tranzistorů a spojů se čip velmi zahřívá (hustota tepelného výkonu procesoru již překonala hustotu výkonu elektrické plotny — elektrická plotna složená z CPU by měla výkon 9kW!!!). Naproti tomu vedeme-li signál pomocí optického vlákna k teplotním ztrátám nedochází. Optická vlákna by mohla propojovat jednotlivé komponenty počítače a časem možná i jednotlivé tranzistory.
Dnešní polovodičové LASERy se vyrábějí z polovodičů s tzv. přímým zakázaným pásmem (např. GaAs, InP) — minimum energie vodivostního pásu leží nad maximem energie valenčního pásu. Elektron vybuzený do vodivostního pásu, tak padá do volného místa ve valenčním pásu a vyzáří přitom foton. Tyto materiály se používají v LED, laserech pro ukázovátka až po lasery ve vypalovačkách. Bohužel se nevyrábejí technologií CMOS (jako ostatní polovodičové součatky) a při pokusu je propojit s křemíkovým polovodičem dochází na rozhraní k defektům, které negativně ovlivňují jejich funkčnost.
Realizace křemíkového laseru a inverzního slunečního článku
Sluneční článek je dioda, ke které dopadající sluneční světlo způsobí vznik páru elektron–díra. Následkem toho vznikne elektrické napětí. Opačným postupem (přivedením napětí na tento článek) bylo dosaženo silné emise světla s účinnosti vyšší než 1 %. Tato technologie ovšem není kompatibilní s technologií CMOS.
První křemíkový laser
Existuje a je založen na Ramanově jevu (který se používá v telekomunikační technice). Původní konstrukce vyžadovala 8 m dlouhý optický vlnovod. Ke konci roku 2004 se v laboratoři firmy Intel podařilo tento laser zmenšit a umístit na křemíkový čip. Jeho vlnovod má průřez 1,6 um^2 a je 4,3 cm dlouhý. Zásadní nevýhodou této technologie je nutnost čerpání jiným laserem (zde o vlnové délce 1 536 nm). Tento laser není křemíkový a nemůže být umístěný na čip.
Závěr
Pokud by se podařilo umístit vhodný zdroj světla přímo na křemíkový čip (nebo přímo křemíkový LASER stimulovat pomocí elektrického napětí — teoreticky to možné je, ale napětí 1,3 V bežně užívané v CPU je příliš nízké), znamenalo by to možnost několikanásobně zvýšit rychlost přenosu dat a součastně snížit tepelné ztráty. Zkoušejí se také čistě optické obvody — odpadla by tak nutnost převádět světlo na elektrický signál a po úpravě (odstranění šumu, oprava, zesílení) opět převést na světlo. Takovéto čistě optické obvody by pak našli uplatnění například na optických kabelech položených na dně oceánů.