來(lái)自喬治華盛頓大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的設(shè)計(jì)，它顯示出創(chuàng)紀(jì)錄的快速時(shí)間帶寬。這可以通過(guò)組合多個(gè)橫向耦合腔來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣可以增強(qiáng)激光器的光反饋。垂直腔面發(fā)射激光器已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心和超級(jí)計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)節(jié)能和高速光互連的重要途徑。

垂直腔面發(fā)射激光器是半導(dǎo)體激光二極管的一個(gè)重要類別，伴隨著單片激光諧振器，它在垂直于芯片表面的方向發(fā)射光。這類激光器因其體積小、光電性能高而越來(lái)越受到市場(chǎng)的重視。作為小型化激光器，它們被用作高速、短波通信和光數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的光源。密集的交通和高速傳輸是智能傳感器在汽車或數(shù)據(jù)通信中應(yīng)用的關(guān)鍵要求，這些應(yīng)用由緊湊和高速垂直腔面發(fā)射激光器實(shí)現(xiàn)。然而，垂直腔面發(fā)射激光器的3db帶寬，即垂直腔面發(fā)射激光器的速度極限，受到熱效應(yīng)、寄生電阻、電容和非線性增益效應(yīng)的限制。

上圖所示為快速、強(qiáng)大的緊湊型激光器：用于下一代數(shù)據(jù)中心和傳感器的新型垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）

垂直腔面發(fā)射激光器的直接調(diào)制不能超過(guò)30GHz，這是由于非線性光學(xué)放大效應(yīng)，即增益松弛振蕩。本發(fā)明介紹了一種革命性的新穎垂直腔面發(fā)射激光器設(shè)計(jì)。由于激光器內(nèi)部的反饋需要仔細(xì)管理，研究人員引入了一種結(jié)合多個(gè)耦合腔的多反饋方法。這使得它們能夠增強(qiáng)被稱為“慢光”的反饋，從而使時(shí)間激光帶寬（速度）超過(guò)已知的弛豫振蕩頻率極限。這項(xiàng)創(chuàng)新是突破性的，因?yàn)槊總�(gè)腔體的直接反饋只需要適度，并且可以通過(guò)耦合腔精確控制，從而實(shí)現(xiàn)更高程度的設(shè)計(jì)自由度。在這種耦合腔方案之后，預(yù)期在100ghz范圍內(nèi)產(chǎn)生調(diào)制帶寬。

 “這里我們介紹了激光設(shè)計(jì)的一個(gè)范式轉(zhuǎn)變。我們利用一種新穎的耦合腔方法，通過(guò)顯著降低激光的速度來(lái)仔細(xì)控制對(duì)激光器的反饋。這種耦合腔方法為激光設(shè)計(jì)增加了一個(gè)新的自由度，在基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)方面都有機(jī)會(huì)，”喬治華盛頓大學(xué)電子和計(jì)算機(jī)工程副教授Volker Sorger說(shuō)。

“這項(xiàng)發(fā)明是及時(shí)的，因?yàn)閷?duì)數(shù)據(jù)服務(wù)的需求正在迅速增長(zhǎng)，并朝著下一代通信網(wǎng)絡(luò)（如6G）發(fā)展，同時(shí)也在汽車領(lǐng)域作為接近傳感器或智能手機(jī)的面部識(shí)別系統(tǒng)（face ID）。此外，還可以為耦合腔系統(tǒng)為量子信息處理器（如量子退火機(jī)）等新興應(yīng)用鋪平了道路。”該論文的合著者、這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明者Hamed Dalir博士補(bǔ)充道。

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