Forskare från DTU har visat att en Fano-laser, en ny typ av mikroskopisk laser, har grundläggande fördelar jämfört med andra typer av lasrar. Upptäckten kan vara viktig för många framtida tillämpningar, såsom integrerad fotonik, gränssnitt för elektronik och fotonik, och optiska sensorer.

En allt större del av den globala energiförbrukningen används för informationsteknologi, och fotonik som arbetar med mycket höga datahastigheter med ultralåg energi per bit har identifierats som en nyckelteknologi för att möjliggöra hållbar tillväxt av kapacitetsbehov.

Dock, befintliga laserdesigner kan inte bara skalas ner för att nå målen för nästa generations integrerade enheter, och grundläggande upptäckter inom området nanofotonik behövs därför.

Med stöd av ett Villum Center of Excellence, NATEC, ett nyinrättat DNRF Center of Excellence, NanoPhoton, och ett ERC Advanced Grant, forskare från DTU undersöker fysiken och tillämpningarna av en ny klass av fotoniska enheter med hjälp av ett fenomen som kallas Fano-interferens. Denna fysiska effekt erbjuder en möjlighet att realisera ultrasnabba och lågbrus nanolasrar (kallade Fano-lasrar), optiska transistorer, och kvantanordningar som arbetar på nivån av en enda foton.

Nu, DTU-forskarna har visat att koherensen hos en Fano-laser kan förbättras avsevärt jämfört med befintliga mikroskopiska lasrar. Resultatet har publicerats i Nature Photonics .

"Koherensen hos en laser är ett mått på renheten i färgen på ljuset som genereras av lasern. En högre koherens är avgörande för många applikationer, såsom on-chip kommunikation, programmerbara fotoniska integrerade kretsar, avkänning, kvantteknik, och neuromorfisk beräkning. Till exempel, koherenta optiska kommunikationssystem överför och detekterar information med hjälp av ljuspulsernas fas, leder till en enorm informationskapacitet", säger Jesper Mørk, Professor vid DTU Fotonik och centrumledare för NATEC och NanoPhoton.

Jesper Mørk förklarar vidare:att "Fano-lasern, med en storlek på några mikron (en mikron är en tusendels millimeter), fungerar i ett ovanligt optiskt tillstånd, ett så kallat bundet-tillstånd-i-kontinuum, inducerad av Fano-resonansen. Förekomsten av ett sådant tillstånd identifierades först av några av de tidiga pionjärerna inom kvantmekaniken, men undvek experimentell observation i många år. I tidningen, vi visar att egenskaperna hos ett sådant bundet tillstånd-i-kontinuum kan utnyttjas för att förbättra laserns koherens."

"Iakttagelsen är något överraskande, ", tillägger huvudförfattare och seniorforskare vid DTU Fotonik, Yi Yu, "eftersom ett bundet tillstånd-i-kontinuum är mycket mindre robust än de tillstånd som vanligtvis används i lasrar. Vi visar i vår artikel, experimentellt såväl som teoretiskt, att den här nya statens egenheter med fördel kan användas."

Yi Yu fortsätter att "för att uppnå det mål vi har utvecklat, i samarbete med professor Kresten Yvinds grupp vid DTU Fotonik, en avancerad nanoteknologiplattform, kallas Buried Heterostructure Technology. Denna teknik gör det möjligt att förverkliga små, nanometerstora områden av aktivt material, där ljusgenereringen äger rum, medan den återstående laserstrukturen är passiv. Det är fysiken i Fano-resonans i kombination med denna teknik som så småningom möjliggör undertryckande av kvantbrus, leder till den högsta uppmätta koherensen för mikroskopiska lasrar."

Denna nya upptäckt kan leda till användningen av Fano-lasrar i integrerade elektroniska-fotoniska kretsar, i synnerhet i nya generationer av höghastighetsdatorer. I dagens datorer, elektriska signaler används för logiska operationer samt för att överföra data mellan olika delar av datorn. Dock, på grund av ohmska förluster, mycket energi går till spillo i transmissionen. Fano-laserns primära roll kommer att vara att omvandla elektriska data till ljussignaler, som sedan överförs i datorn nästan utan förlust – precis som det görs i optiska fibrer på internet idag. Det långsiktiga perspektivet är att få mycket snabbare datorchip med minimal energiförbrukning.