Ny laser får silicium til at synge

Yale -forskere har skabt en ny type siliciumlaser, der bruger lydbølger til at forstærke lys. En undersøgelse om opdagelsen vises 8. juni i tidsskriftets onlineudgave Videnskab .

I de seneste år, der har været stigende interesse for at oversætte optiske teknologier-såsom fiberoptik og ledige lasere-til bittesmå optiske eller "fotoniske" integrerede kredsløb. Brug af lys frem for elektricitet til integrerede kredsløb gør det muligt at sende og behandle oplysninger med hastigheder, der ville være umulige med konventionel elektronik. Forskere siger, at siliciumfotonik - optiske kredsløb baseret på siliciumchips - er en af ​​de førende platforme for sådanne teknologier, takket være deres kompatibilitet med eksisterende mikroelektronik.

"Vi har oplevet en eksplosion af vækst inden for fotoniske siliciumteknologier de sidste par år, "sagde Peter Rakich, en lektor i anvendt fysik ved Yale, der ledede forskningen. "Vi begynder ikke kun at se disse teknologier komme ind i kommercielle produkter, der hjælper vores datacentre med at køre fejlfrit, vi opdager også nye fotoniske enheder og teknologier, der kan være transformerende for alt fra biosensering til kvanteinformation på en chip. Det er virkelig en spændende tid for feltet. "

Forskerne sagde, at denne hurtige vækst har skabt et presserende behov for nye siliciumlasere til at drive de nye kredsløb - et problem, der historisk set har været svært på grund af siliciums indirekte båndgab. "Silicons iboende egenskaber, selvom det er meget nyttigt for mange optiske teknologier i chipskala, gør det ekstremt svært at generere laserlys ved hjælp af elektrisk strøm, sagde Nils Otterstrøm, en kandidatstuderende i Rakich -laboratoriet og undersøgelsens første forfatter. "Det er et problem, der har dæmpet forskere i mere end et årti. For at omgå dette problem, vi skal finde andre metoder til at forstærke lys på en chip. I vores tilfælde, vi bruger en kombination af lys- og lydbølger. "

Laserdesignet korralerer forstærket lys inden for en racerbaneform - og fanger det i cirkulær bevægelse. "Racerbanens design var en vigtig del af innovationen. På denne måde, vi kan maksimere forstærkning af lyset og give den feedback, der er nødvendig for at lasning kan forekomme, "Sagde Otterstrøm.

For at forstærke lyset med lyd, siliciumlaseren bruger en særlig struktur udviklet i Rakich -laboratoriet. "Det er hovedsageligt en nanoskala bølgeleder, der er designet til at stramme både lys- og lydbølger og maksimere deres interaktion, "Sagde Rakich.

"Det unikke ved denne bølgeleder er, at der er to forskellige kanaler, hvor lys kan sprede sig, "tilføjede Eric Kittlaus, en medforfatter af undersøgelsen og en kandidatstuderende i Rakich-laboratoriet. "Dette giver os mulighed for at forme lys-lydkoblingen på en måde, der tillader bemærkelsesværdigt robuste og fleksible laserdesign."

Uden denne type struktur, forklarede forskerne, forstærkning af lys ved hjælp af lyd ville ikke være mulig i silicium. "Vi har taget lys-lyd-interaktioner, der stort set var fraværende i disse optiske kredsløb, og har forvandlet dem til den stærkeste forstærkningsmekanisme i silicium, "Sagde Rakich." Nu, vi er i stand til at bruge det til nye typer laserteknologier, som ingen troede var mulige for 10 år siden. "

Otterstrom sagde, at der var to hovedudfordringer ved udviklingen af ​​den nye laser:"For det første designe og fremstille en enhed, hvor forstærkningen overstiger tabet, og derefter finde ud af den kontra-intuitive dynamik i dette system, "sagde han." Det vi observerer er, at selvom systemet klart er en optisk laser, det genererer også meget sammenhængende hypersoniske bølger. "

Forskergruppen sagde, at disse egenskaber kan føre til en række potentielle applikationer lige fra integrerede oscillatorer til nye ordninger til kodning og afkodning af information. "Ved hjælp af silicium, vi kan skabe et væld af laserdesign, hver med unik dynamik og potentielle applikationer, "sagde medforfatter Ryan Behunin, en adjunkt ved Northern Arizona University og et tidligere medlem af Rakich -laboratoriet. "Disse nye muligheder udvider dramatisk vores evne til at styre og forme lys i siliconiske fotoniske kredsløb."