新激光使硅“歌唱”

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耶鲁大学的科学家们发明了一种新型的硅激光器,它利用声波来放大光。关于这一发现的研究出现在《科学》杂志的网络版上。

近年来,人们越来越关注将光学技术(如光纤和自由空间激光器)翻译成微型光学或“光子”集成电路。集成电路使用光而不是电,允许以传统电子不可能的速度发送和处理信息。研究人员说,硅光子学——基于硅芯片的光学电路——由于它们与现有微电子的兼容性,是这类技术的领先平台之一。

耶鲁大学应用物理学副教授Peter Rakich领导了这项研究,他说:“过去几年,我们看到硅光子技术的爆炸性增长。”“我们不仅开始看到这些技术进入商业产品,帮助我们的数据中心完美地运行,我们也发现了新的光子器件和技术,这些技术可以从生物传感到芯片上的量子信息转变。这真是场激动人心的时刻。”

研究人员说,这种快速增长已经产生了迫切需要新的硅激光器来驱动新的电路-一个历史上一直是困难的问题,由于硅的间接带隙。“硅的内在特性,尽管对许多芯片级光学技术非常有用,但是使用电流产生激光非常困难,”Rakic实验室的研究生Nils Otterstrom和该研究的第一作者说。“这是一个困扰科学家十多年的问题。为了规避这个问题,我们需要找到其他方法来放大芯片上的光。在我们的例子中,我们使用光和声波的组合。

激光设计CORRALS放大了跑道形状内的光,以环形运动捕获光。赛道设计是创新的关键部分。通过这种方式,我们可以最大限度地放大光,并提供必要的反馈激光发生,“Otterstrom说。

为了用声音放大光,硅激光器使用了在Rakic实验室开发的一种特殊结构。“它本质上是一种纳米级波导,它被设计成既限制光和声波,又使其相互作用最大化,”Rakich说。

“这个波导的独特之处在于,光传播有两个不同的通道,”该研究的合著者、Rakich lab.的研究生Eric Kittlaus补充道,“这使得我们能够以一种允许非常健壮和灵活的方式来形成光声耦合。激光设计。”

在没有这种结构的情况下,研究人员解释说,在硅中使用声音来放大光是不可能的。Rakich说:“我们已经采取了光声相互作用,这些相互作用在这些光学电路中几乎不存在,并将它们转化为硅中最强的放大机制。”“现在,我们可以将它用于10年前没有人想到的新型激光技术。”

Otterstrom说,开发新的激光器有两个主要挑战:“首先,设计和制造一个放大倍数超过损耗的装置,然后计算出这个系统的反直觉动力学。”他说。“我们观察到,虽然系统显然是光学激光器,但它也产生非常相干的高超声速波。”

研究小组表示,这些特性可能导致许多潜在的应用,从集成振荡器到编码和解码信息的新方案。“使用硅,我们可以创造出大量的激光设计,每一个都具有独特的动力学和潜在的应用,”共同作者Ryan Behunin说,他是北亚利桑那大学的助理教授,也是Rakich lab.的前成员,“这些新的能力极大地扩展了我们的能力。控制和成形硅光子电路中的光。

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