新型垂直腔面发射激光器面世

乔治华盛顿大学的研究人员已经开发出一种新的垂直腔面发射激光器(VCSEL)设计，该激光器具有创纪录的快速时间带宽。通过组合多个横向耦合腔体可以实现这一点，从而增强了激光器的光反馈。VCSEL已成为在数据中心和超级计算机中实现节能和高速光互连的重要方法。

VCSEL是伴随单片激光谐振器的半导体激光二极管的重要一类，其沿垂直于芯片表面的方向发光。由于其紧凑的尺寸和较高的光电性能，此类激光器在市场上正变得越来越重要。作为小型激光器，它们被用作高速，短波通信和光学数据网络中的光源。紧凑的高速VCSEL使汽车和数据通信中智能传感器应用的关键要求是拥挤的流量和高速传输。但是，3-dB带宽(即VCSEL的速度限制)受到热效应，寄生电阻，电容和非线性增益效应的限制。

由于非线性光学放大效应(称为增益弛豫振荡)，VCSEL的直接调制不能超过30 GHz。本发明引入了革命性的新颖的VCSEL设计。由于需要仔细管理激光器内部的反馈，因此研究人员通过组合多个耦合腔来引入一种多反馈方法。这使他们能够增强称为“慢光”的反馈，从而将时间激光带宽(速度)扩展到驰豫振荡频率的已知限制之外。创新是突破性的，因为每个腔体的直接反馈只需适度，并且可以通过耦合腔精确控制，从而具有更高的设计自由度。按照这种耦合腔方案，可以预期在100 GHz范围内产生调制带宽。

“在这里，我们在激光器设计中引入了范式转变。我们利用一种新颖的耦合腔方法，通过显着降低激光的速度来仔细控制对激光的反馈。这种耦合腔方法为激光器设计增加了新的自由度，拥有基础科学和技术方面的机会。”乔治华盛顿大学电气与计算机工程副教授沃尔克·索格(Volker Sorger)说。

“本发明是及时的，因为对数据服务的需求正在迅速增长，并朝着诸如6G之类的下一代通信网络发展，而且还应用于汽车中的接近传感器或智能手机的面部ID。此外，耦合腔系统为新兴的应用铺平了道路。量子信息处理器，例如相干的Ising机器，”该论文的共同作者兼技术发明者Hamed Dalir博士补充道。