Forskare vid George Washington University har utvecklat en ny design av vertikal kavitets ytemitterande laser (VCSEL) som visar rekordsnabb tidsmässig bandbredd. Detta var möjligt genom att kombinera flera tvärgående kopplade kaviteter, vilket förbättrar laserns optiska återkoppling. VCSELs har dykt upp som ett viktigt tillvägagångssätt för att realisera energieffektiva och höghastighets optiska sammankopplingar i datacenter och superdatorer.

VCSELs är en vital klass av halvledarlaserdioder som åtföljer en monolitisk laserresonator som avger ljus i en riktning vinkelrät mot chipytan. Denna klass av lasrar blir allt viktigare på marknaden med tanke på deras kompakta storlek och höga optoelektroniska prestanda. Som miniatyriserade lasrar, de används som en optisk källa i höghastighet, kortvågskommunikation och optiska datanät. Tät trafik och höghastighetsöverföring är nyckelkrav för smarta sensortillämpningar inom bilindustrin eller inom datakommunikation, som möjliggörs av kompakta och höghastighets-VCSELs. Dock, bandbredden på 3 dB, känd som hastighetsgränsen för VCSELs, begränsas av termiska effekter, parasitresistens, kapacitans och icke-linjära förstärkningseffekter.

Direktmodulering av VCSEL:er kan inte överstiga cirka 30 GHz på grund av icke-linjära optiska förstärkningseffekter som kallas förstärkningsavslappningssvängningar. Denna uppfinning introducerar en revolutionerande ny VCSEL-design. Eftersom feedback inuti lasern måste hanteras noggrant, forskare introducerade en multifeedback-metod genom att kombinera flera kopplade kaviteter. Detta gjorde det möjligt för dem att stärka feedbacken som kallas "slow-light, " vilket förlänger den temporala laserbandbredden (hastigheten) bortom den kända gränsen för relaxationsoscillationsfrekvensen. Innovationen är banbrytande eftersom den direkta återkopplingen från varje kavitet bara behöver vara måttlig och kan styras exakt via de kopplade kaviteterna, ger en högre grad av designfrihet. Efter detta kopplade hålrumsschema, en resulterande moduleringsbandbredd i 100 GHz-intervallet förväntas.

"Här introducerar vi ett paradigmskifte i laserdesign. Vi använder en ny tillvägagångssätt med kopplade kaviteter för att noggrant kontrollera återkopplingen till lasern som uppnås genom att avsevärt sakta ner laserljuset. Denna kopplade kavitetsmetod ger en ny grad av frihet för laserdesign, med möjligheter inom både grundläggande vetenskap och teknik, säger Volker Sorger, docent i el- och datateknik vid George Washington University.

"Denna uppfinning är läglig eftersom efterfrågan på datatjänster växer snabbt och går mot nästa generations kommunikationsnätverk som 6G, men också inom bilindustrin som närhetssensor eller smartphones ansikts-ID. Vidare, det kopplade kavitetssystemet banar väg för nya tillämpningar i kvantinformationsprocessorer som koherenta Ising-maskiner, " tillägger Dr. Hamed Dalir, medförfattare på papperet och uppfinnare av tekniken.