喬治華盛頓大學(xué)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)設(shè)計，該激光器具有創(chuàng)紀錄的快速時間帶寬。通過組合多個橫向耦合腔體可以實現(xiàn)這一點，從而增強了激光器的光反饋。VCSEL已成為在數(shù)據(jù)中心和超級計算機中實現(xiàn)節(jié)能和高速光互連的重要方法。

VCSEL是伴隨單片激光諧振器的半導(dǎo)體激光二極管的重要一類，其沿垂直于芯片表面的方向發(fā)光。由于其緊湊的尺寸和較高的光電性能，此類激光器在市場上正變得越來越重要。作為小型激光器，它們被用作高速，短波通信和光學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的光源。緊湊的高速VCSEL使汽車和數(shù)據(jù)通信中智能傳感器應(yīng)用的關(guān)鍵要求是擁擠的流量和高速傳輸。但是，3-dB帶寬(即VCSEL的速度限制)受到熱效應(yīng)，寄生電阻，電容和非線性增益效應(yīng)的限制。

由于非線性光學(xué)放大效應(yīng)(稱為增益弛豫振蕩)，VCSEL的直接調(diào)制不能超過30 GHz。本發(fā)明引入了革命性的新穎的VCSEL設(shè)計。由于需要仔細管理激光器內(nèi)部的反饋，因此研究人員通過組合多個耦合腔來引入一種多反饋方法。這使他們能夠增強稱為“慢光”的反饋，從而將時間激光帶寬(速度)擴展到馳豫振蕩頻率的已知限制之外。創(chuàng)新是突破性的，因為每個腔體的直接反饋只需適度，并且可以通過耦合腔精確控制，從而具有更高的設(shè)計自由度。按照這種耦合腔方案，可以預(yù)期在100 GHz范圍內(nèi)產(chǎn)生調(diào)制帶寬。

“在這里，我們在激光器設(shè)計中引入了范式轉(zhuǎn)變。我們利用一種新穎的耦合腔方法，通過顯著降低激光的速度來仔細控制對激光的反饋。這種耦合腔方法為激光器設(shè)計增加了新的自由度，擁有基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)方面的機會。”喬治華盛頓大學(xué)電氣與計算機工程副教授沃爾克·索格(Volker Sorger)說。

“本發(fā)明是及時的，因為對數(shù)據(jù)服務(wù)的需求正在迅速增長，并朝著諸如6G之類的下一代通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，而且還應(yīng)用于汽車中的接近傳感器或智能手機的面部ID。此外，耦合腔系統(tǒng)為新興的應(yīng)用鋪平了道路。量子信息處理器，例如相干的Ising機器，”該論文的共同作者兼技術(shù)發(fā)明者Hamed Dalir博士補充道。