Yale -forskare har skapat en ny typ av kisellaser som använder ljudvågor för att förstärka ljus. En studie om upptäckten visas den 8 juni i tidningen online Vetenskap .

Under de senaste åren har det har varit ett ökande intresse för att översätta optisk teknik-såsom fiberoptik och lediga lasrar-till små optiska eller "fotoniska" integrerade kretsar. Att använda ljus snarare än elektricitet för integrerade kretsar gör det möjligt att skicka och bearbeta information i hastigheter som skulle vara omöjliga med konventionell elektronik. Forskare säger att kiselfotonik - optiska kretsar baserade på kiselchips - är en av de ledande plattformarna för sådan teknik, tack vare deras kompatibilitet med befintlig mikroelektronik.

"Vi har sett en explosion av tillväxt i fotonisk kiselteknologi de senaste åren, "sa Peter Rakich, en docent i tillämpad fysik vid Yale som ledde forskningen. "Vi börjar inte bara se att denna teknik kommer in i kommersiella produkter som hjälper våra datacenter att fungera felfritt, vi upptäcker också nya fotoniska enheter och tekniker som kan vara transformativa för allt från biosensing till kvantinformation på ett chip. Det är verkligen en spännande tid för fältet. "

Forskarna sa att denna snabba tillväxt har skapat ett akut behov av nya kisellasrar för att driva de nya kretsarna - ett problem som historiskt har varit svårt på grund av kisels indirekta bandgap. "Silicons inneboende egenskaper, även om den är mycket användbar för många optiska tekniker i chipskala, gör det extremt svårt att generera laserljus med elektrisk ström, sa Nils Otterström, en doktorand i Rakich -labbet och studiens första författare. "Det är ett problem som har stymt forskare i mer än ett decennium. För att kringgå denna fråga, vi måste hitta andra metoder för att förstärka ljus på ett chip. I vårat fall, vi använder en kombination av ljus och ljudvågor. "

Laserdesignen korralerar förstärkt ljus inom en racerbaneform - fångar det i cirkulär rörelse. "Tävlingsbanans design var en viktig del av innovationen. På så sätt har vi kan maximera ljusets förstärkning och ge den feedback som är nödvändig för att lasning ska ske, "Sa Otterström.

För att förstärka ljuset med ljud, kisellasern använder en speciell struktur som utvecklats i Rakich -labbet. "Det är i huvudsak en nanoskala vågledare som är utformad för att tätt begränsa både ljus- och ljudvågor och maximera deras interaktion, "Sa Rakich.

"Det unika med denna vågledare är att det finns två olika kanaler för ljus att sprida sig, "tillade Eric Kittlaus, en medförfattare till studien och en doktorand i Rakich-labbet. "Detta gör att vi kan forma ljus-ljud-kopplingen på ett sätt som tillåter anmärkningsvärt robust och flexibel laserdesign."

Utan denna typ av struktur, forskarna förklarade, förstärkning av ljus med ljud skulle inte vara möjligt i kisel. "Vi har tagit ljus-ljud-interaktioner som nästan saknades i dessa optiska kretsar, och har förvandlat dem till den starkaste förstärkningsmekanismen i kisel, "Sa Rakich." Nu, vi kan använda den för nya typer av laserteknologi som ingen trodde var möjlig för 10 år sedan. "

Otterstrom sa att det fanns två huvudutmaningar i utvecklingen av den nya lasern:"För det första designa och tillverka en enhet där förstärkningen överstiger förlusten, och sedan räkna ut den kontra-intuitiva dynamiken i detta system, "sa han." Det vi observerar är att även om systemet helt klart är en optisk laser, det genererar också mycket sammanhängande hypersoniska vågor. "

Forskargruppen sa att dessa egenskaper kan leda till ett antal potentiella applikationer som sträcker sig från integrerade oscillatorer till nya system för kodning och avkodning av information. "Med hjälp av kisel, vi kan skapa en mängd laserdesigner, var och en med unik dynamik och potentiella applikationer, "sa medförfattaren Ryan Behunin, en biträdande professor vid Northern Arizona University och en tidigare medlem i Rakich -labbet. "Dessa nya funktioner utökar dramatiskt vår förmåga att styra och forma ljus i fotoniska kretsar av kisel."