Ny fysik giver anledning til den højeste sammenhæng for mikroskopiske lasere

Forskere fra DTU har vist, at en Fano laser, en ny type mikroskopisk laser, har grundlæggende fordele sammenlignet med andre typer lasere. Opdagelsen kan være vigtig for mange fremtidige applikationer, såsom integreret fotonik, grænseflade mellem elektronik og fotonik, og optiske sensorer.

En stigende del af det globale energiforbrug bruges til informationsteknologi, og fotonik, der opererer ved meget høje datahastigheder med ultra-lav energi pr. bit, er blevet identificeret som en nøgleteknologi til at muliggøre en bæredygtig vækst i kapacitetskravene.

Imidlertid, eksisterende laserdesign kan ikke bare nedskaleres for at nå målene for næste generations integrerede enheder, og grundlæggende opdagelser inden for nanofotonik er derfor nødvendige.

Støttet af et Villum Center of Excellence, NATEC, et nyoprettet DNRF Center of Excellence, NanoPhoton, og et ERC Advanced Grant, forskere fra DTU udforsker fysikken og anvendelserne af en ny klasse af fotoniske enheder ved hjælp af et fænomen kendt som Fano-interferens. Denne fysiske effekt giver mulighed for at realisere ultrahurtige og støjsvage nanolasere (kaldet Fano-lasere), optiske transistorer, og kvanteanordninger, der arbejder på niveau med en enkelt foton.

Nu, DTU-forskerne har vist, at sammenhængen i en Fano-laser kan forbedres markant sammenlignet med eksisterende mikroskopiske lasere. Resultatet er offentliggjort i Naturfotonik .

"Kohærensen af ​​en laser er et mål for renheden af ​​farven i lyset, der genereres af laseren. En højere sammenhæng er afgørende for adskillige applikationer, såsom on-chip kommunikation, programmerbare fotoniske integrerede kredsløb, sansning, kvanteteknologi, og neuromorfisk databehandling. For eksempel, sammenhængende optiske kommunikationssystemer transmitterer og detekterer information ved hjælp af lysimpulsernes fase, fører til en enorm informationskapacitet," siger Jesper Mørk, Professor ved DTU Fotonik og centerleder for NATEC og NanoPhoton.

Jesper Mørk forklarer videre:at "Fano-laseren, med en størrelse på nogle få mikron (én mikron er en tusindedel af en millimeter), fungerer i en usædvanlig optisk tilstand, en såkaldt bundet-tilstand-i-kontinuum, induceret af Fano-resonansen. Eksistensen af ​​en sådan tilstand blev først identificeret af nogle af de tidlige pionerer inden for kvantemekanik, men undgik eksperimentel observation i mange år. I avisen, vi viser, at egenskaberne ved en sådan bundet tilstand-i-kontinuum kan udnyttes til at forbedre laserens sammenhæng."

"Iagttagelsen er noget overraskende, " tilføjer hovedforfatter og seniorforsker ved DTU Fotonik, Yi Yu, "da en bundet tilstand-i-kontinuum er meget mindre robust end de tilstande, der almindeligvis bruges i lasere. Vi viser i vores papir, eksperimentelt såvel som teoretisk, at denne nye stats ejendommeligheder med fordel kan bruges."

Yi Yu fortsætter, at "for at nå det mål, vi har udviklet, i samarbejde med professor Kresten Yvinds gruppe på DTU Fotonik, en avanceret nanoteknologisk platform, kaldet Buried Heterostructure Technology. Denne teknologi gør det muligt at realisere små, nanometer-store områder af aktivt materiale, hvor lysgenereringen finder sted, mens den resterende laserstruktur er passiv. Det er fysikken i Fano-resonans kombineret med denne teknologi, der til sidst muliggør undertrykkelse af kvantestøj, fører til den højest målte sammenhæng for mikroskopiske lasere."

Denne nye opdagelse kan føre til brugen af ​​Fano-lasere i integrerede elektronisk-fotoniske kredsløb, især i nye generationer af højhastighedscomputere. I dagens computere, elektriske signaler bruges til logiske operationer samt til at overføre data mellem forskellige dele af computeren. Imidlertid, på grund af ohmske tab, der spildes meget energi i transmissionen. Fano-laserens primære rolle vil være at konvertere de elektriske data til lyssignaler, som så transmitteres inde i computeren næsten uden tab – ligesom det sker i optiske fibre på internettet i dag. Det langsigtede perspektiv er at få meget hurtigere computerchips med minimalt energiforbrug.