Forskere opfinder en ny laser med lodret hulrum, som udsender overfladen

Forskere ved George Washington University har udviklet et nyt design af vertikal-kavitet overflade-emitterende laser (VCSEL), der demonstrerer rekordhurtig tidsmæssig båndbredde. Dette var muligt ved at kombinere flere tværgående koblede hulrum, hvilket forbedrer laserens optiske feedback. VCSEL'er er dukket op som en vital tilgang til at realisere energieffektive og højhastigheds optiske sammenkoblinger i datacentre og supercomputere.

VCSEL'er er en vital klasse af halvlederlaserdioder, der ledsager en monolitisk laserresonator, der udsender lys i en retning vinkelret på chipoverfladen. Denne klasse af lasere får markedsmæssig betydning på grund af deres kompakte størrelse og høje optoelektroniske ydeevne. Som miniaturiserede lasere, de bruges som en optisk kilde i højhastighed, kortbølgelængdekommunikation og optiske datanetværk. Tæt trafik og højhastighedstransmission er nøglekrav til smarte sensorapplikationer i bilindustrien eller i datakommunikation, som er aktiveret af kompakte og højhastigheds-VCSEL'er. Imidlertid, 3-dB båndbredden, kendt som hastighedsgrænsen for VCSEL'er, er begrænset af termiske effekter, parasitresistens, kapacitans og ikke-lineære forstærkningseffekter.

Direkte modulering af VCSEL'er kan ikke overstige omkring 30 GHz på grund af ikke-lineære optiske forstærkningseffekter kendt som gain-relaksationsoscillationer. Denne opfindelse introducerer et revolutionerende nyt VCSEL-design. Da feedback inde i laseren skal styres omhyggeligt, forskere introducerede en multifeedback-tilgang ved at kombinere flere koblede hulrum. Dette gjorde det muligt for dem at styrke feedbacken kendt som "langsomt lys, " således forlænger den tidsmæssige laserbåndbredde (hastighed) ud over den kendte grænse for afspændingsoscillationsfrekvensen. Innovationen er banebrydende, fordi den direkte feedback fra hvert hulrum kun behøver at være moderat og kan styres præcist via de koblede hulrum, giver mulighed for en højere grad af designfrihed. Efter dette koblede hulrumsskema, en resulterende modulationsbåndbredde i 100 GHz-området forventes.

"Her introducerer vi et paradigmeskifte inden for laserdesign. Vi bruger en ny tilgang med koblede hulrum til omhyggeligt at kontrollere feedbacken til laseren opnået ved at bremse laserlyset betydeligt ned. Denne koblede hulrumstilgang tilføjer en ny grad af frihed til laserdesign, med muligheder inden for både grundlæggende videnskab og teknologi, siger Volker Sorger, lektor i elektro- og computerteknik ved George Washington University.

"Denne opfindelse er rettidig, da efterspørgslen efter datatjenester vokser hurtigt og bevæger sig mod næste generations kommunikationsnetværk såsom 6G, men også i bilindustrien som nærhedssensor eller smartphones ansigts-id. Desuden, det koblede hulrumssystem baner vejen for nye applikationer i kvanteinformationsprocessorer såsom kohærente Ising-maskiner, " tilføjer Dr. Hamed Dalir, medforfatter på papiret og opfinder af teknologien.