喬治華盛頓大學的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）設(shè)計，該激光器具有創(chuàng)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(xiàn)這一點，從而增強了激光器的光反饋。VCSEL已成為在數(shù)據(jù)中心和超級計算機中實現(xiàn)節(jié)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(fā)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(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的光源。緊湊的高速VCSEL使汽車或數(shù)據(jù)通信中智能傳感器應用的關(guān)鍵要求是密集的流量和高速傳輸。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(diào)制不能超過30 GHz。該發(fā)明引入了革命性的VCSEL設(shè)計。由于需要仔細管理激光器內(nèi)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。該創(chuàng)新是突破性的，因為來自每個腔的直接反饋只需要適度，并且可以通過耦合腔精確控制，從而具有更高的設(shè)計自由度。按照這種耦合腔方案，可以預期在100 GHz范圍內(nèi)產(chǎn)生調(diào)制帶寬。

研究人員表示：“在這里，我們引入了激光設(shè)計的范式轉(zhuǎn)變。我們利用一種新穎的耦合腔方法來仔細控制通過顯著減慢激光速度來實現(xiàn)的對激光的反饋。這種耦合腔的方法為激光設(shè)計增加了新的自由度，同時在基礎(chǔ)科學和技術(shù)領(lǐng)域都帶來了機遇。”

“由于對數(shù)據(jù)服務的需求正在迅速增長，并朝著下一代通信網(wǎng)絡(luò)（例如6G）發(fā)展，而且在汽車中也用作接近傳感器或智能手機的面部ID，因此該發(fā)明是及時的。此外，耦合腔系統(tǒng)還能為量子信息處理器中的新興應用鋪平了道路。”