Wetenschappers van Yale hebben een nieuw type siliciumlaser ontwikkeld die geluidsgolven gebruikt om licht te versterken. Een studie over de ontdekking verschijnt op 8 juni in de online editie van het tijdschrift Wetenschap .

In recente jaren, er is een toenemende belangstelling voor het vertalen van optische technologieën - zoals glasvezel en lasers in de vrije ruimte - in kleine optische of "fotonische" geïntegreerde schakelingen. Het gebruik van licht in plaats van elektriciteit voor geïntegreerde schakelingen maakt het mogelijk om informatie te verzenden en te verwerken met snelheden die onmogelijk zouden zijn met conventionele elektronica. Onderzoekers zeggen dat siliciumfotonica - optische circuits op basis van siliciumchips - een van de toonaangevende platforms is voor dergelijke technologieën. dankzij hun compatibiliteit met bestaande micro-elektronica.

"We hebben de afgelopen jaren een explosie van groei gezien in siliciumfotonische technologieën, " zei Peter Rakich, een universitair hoofddocent toegepaste natuurkunde aan Yale die het onderzoek leidde. "We beginnen deze technologieën niet alleen in commerciële producten te zien binnenkomen die onze datacenters helpen vlekkeloos te werken, we ontdekken ook nieuwe fotonische apparaten en technologieën die transformerend kunnen zijn voor alles, van biosensing tot kwantuminformatie op een chip. Het is echt een spannende tijd voor het veld."

De onderzoekers zeiden dat deze snelle groei heeft geleid tot een dringende behoefte aan nieuwe siliciumlasers om de nieuwe circuits van stroom te voorzien - een probleem dat historisch moeilijk was vanwege de indirecte bandgap van silicium. "Intrinsieke eigenschappen van silicium, hoewel zeer nuttig voor veel optische technologieën op chipschaal, maken het extreem moeilijk om laserlicht te genereren met behulp van elektrische stroom, " zei Nils Otterström, een afgestudeerde student in het Rakich-lab en de eerste auteur van de studie. "Het is een probleem dat wetenschappers al meer dan tien jaar belemmert. Om dit probleem te omzeilen, we moeten andere methoden vinden om licht op een chip te versterken. In ons geval, we gebruiken een combinatie van licht- en geluidsgolven."

Het laserontwerp brengt versterkt licht samen in de vorm van een racebaan, waardoor het in cirkelvormige beweging wordt gevangen. "Het ontwerp van de racebaan was een belangrijk onderdeel van de innovatie. we kunnen de versterking van het licht maximaliseren en de feedback geven die nodig is om laserstraling te laten plaatsvinden, ' zei Otterström.

Om het licht te versterken met geluid, de siliciumlaser maakt gebruik van een speciale structuur die is ontwikkeld in het Rakich-lab. "Het is in wezen een golfgeleider op nanoschaal die is ontworpen om zowel licht- als geluidsgolven strak op te sluiten en hun interactie te maximaliseren, ' zei Rakich.

"Het unieke aan deze golfgeleider is dat er twee verschillende kanalen zijn waar licht zich kan voortplanten, " voegde Eric Kittlaus toe, een co-auteur van de studie en een afgestudeerde student in het Rakich-lab. "Hierdoor kunnen we de licht-geluidkoppeling zo vormgeven dat opmerkelijk robuuste en flexibele laserontwerpen mogelijk zijn."

Zonder dit type structuur, legden de onderzoekers uit, versterking van licht met geluid zou in silicium niet mogelijk zijn. "We hebben licht-geluid-interacties genomen die vrijwel afwezig waren in deze optische circuits, en ze hebben omgezet in het sterkste versterkingsmechanisme in silicium, "Zei Rakich. "Nu, we kunnen het gebruiken voor nieuwe soorten lasertechnologieën die niemand 10 jaar geleden voor mogelijk had gehouden."

Otterstrom zei dat er twee grote uitdagingen waren bij het ontwikkelen van de nieuwe laser:"Ten eerste, het ontwerpen en fabriceren van een apparaat waarbij de versterking groter is dan het verlies, en dan de contra-intuïtieve dynamiek van dit systeem uit te zoeken, " zei hij. "Wat we waarnemen is dat hoewel het systeem duidelijk een optische laser is, het genereert ook zeer coherente hypersonische golven."

Het onderzoeksteam zei dat deze eigenschappen kunnen leiden tot een aantal potentiële toepassingen, variërend van geïntegreerde oscillatoren tot nieuwe schema's voor het coderen en decoderen van informatie. "Met behulp van silicium, we kunnen een groot aantal laserontwerpen maken, elk met een unieke dynamiek en mogelijke toepassingen, " zei co-auteur Ryan Behunin, een assistent-professor aan de Northern Arizona University en een voormalig lid van het Rakich-lab. "Deze nieuwe mogelijkheden breiden ons vermogen om licht in siliciumfotonische circuits te beheersen en vorm te geven drastisch uit."