喬治華盛頓大學的研究人員已經開發出一種新的垂直腔面發射激光器(VCSEL)設計，該激光器具有創紀錄的快速時間帶寬。通過組合多個橫向耦合腔體可以實現這一點，從而增強了激光器的光反饋。VCSEL已成為在數據中心和超級計算機中實現節能和高速光互連的重要方法。

VCSEL是伴隨單片激光諧振器的半導體激光二極管的重要一類，其沿垂直于芯片表面的方向發光。由于其緊湊的尺寸和較高的光電性能，此類激光器在市場上正變得越來越重要。作為小型激光器，它們被用作高速，短波通信和光學數據網絡中的光源。緊湊的高速VCSEL使汽車和數據通信中智能傳感器應用的關鍵要求是擁擠的流量和高速傳輸。但是，3-dB帶寬(即VCSEL的速度限制)受到熱效應，寄生電阻，電容和非線性增益效應的限制。

由于非線性光學放大效應(稱為增益弛豫振蕩)，VCSEL的直接調制不能超過30 GHz。本發明引入了革命性的新穎的VCSEL設計。由于需要仔細管理激光器內部的反饋，因此研究人員通過組合多個耦合腔來引入一種多反饋方法。這使他們能夠增強稱為“慢光”的反饋，從而將時間激光帶寬(速度)擴展到馳豫振蕩頻率的已知限制之外。創新是突破性的，因為每個腔體的直接反饋只需適度，并且可以通過耦合腔精確控制，從而具有更高的設計自由度。按照這種耦合腔方案，可以預期在100 GHz范圍內產生調制帶寬。

“在這里，我們在激光器設計中引入了范式轉變。我們利用一種新穎的耦合腔方法，通過顯著降低激光的速度來仔細控制對激光的反饋。這種耦合腔方法為激光器設計增加了新的自由度，擁有基礎科學和技術方面的機會。”喬治華盛頓大學電氣與計算機工程副教授沃爾克·索格(Volker Sorger)說。

“本發明是及時的，因為對數據服務的需求正在迅速增長，并朝著諸如6G之類的下一代通信網絡發展，而且還應用于汽車中的接近傳感器或智能手機的面部ID。此外，耦合腔系統為新興的應用鋪平了道路。量子信息處理器，例如相干的Ising機器，”該論文的共同作者兼技術發明者Hamed Dalir博士補充道。