Onderzoekers van de George Washington University hebben een nieuw ontwerp ontwikkeld van een oppervlakte-emitterende laser met verticale holte (VCSEL) die een recordsnelle temporele bandbreedte aantoont. Dit was mogelijk door meerdere transversaal gekoppelde holtes te combineren, wat de optische feedback van de laser verbetert. VCSEL's zijn naar voren gekomen als een essentiële benadering voor het realiseren van energie-efficiënte en snelle optische verbindingen in datacenters en supercomputers.

VCSEL's zijn een vitale klasse van halfgeleiderlaserdiodes die een monolithische laserresonator vergezellen die licht uitzendt in een richting loodrecht op het chipoppervlak. Deze klasse lasers wint aan belang op de markt vanwege hun compacte formaat en hoge opto-elektronische prestaties. Als geminiaturiseerde lasers, ze worden gebruikt als optische bron bij hoge snelheid, kortegolfcommunicatie en optische datanetwerken. Druk verkeer en hogesnelheidstransmissie zijn de belangrijkste vereisten voor slimme sensortoepassingen in de automobielsector of in datacommunicatie, die mogelijk worden gemaakt door compacte en snelle VCSEL's. Echter, de bandbreedte van 3 dB, bekend als de snelheidslimiet van VCSEL's, wordt beperkt door thermische effecten, parasitaire weerstand, capaciteit en niet-lineaire versterkingseffecten.

Directe modulatie van VCSEL's kan niet hoger zijn dan ongeveer 30 GHz vanwege niet-lineaire optische versterkingseffecten die bekend staan ​​als versterkingsrelaxatie-oscillaties. Deze uitvinding introduceert een revolutionair nieuw VCSEL-ontwerp. Aangezien feedback in de laser zorgvuldig moet worden beheerd, onderzoekers introduceerden een multi-feedbackbenadering door meerdere gekoppelde caviteiten te combineren. Hierdoor konden ze de feedback versterken die bekend staat als "slow-light, " waardoor de tijdelijke laserbandbreedte (snelheid) wordt uitgebreid tot voorbij de bekende limiet van de relaxatie-oscillatiefrequentie. De innovatie is baanbrekend omdat de directe feedback van elke holte slechts matig hoeft te zijn en nauwkeurig kan worden geregeld via de gekoppelde holtes, waardoor een hogere mate van ontwerpvrijheid mogelijk is. Door dit gekoppelde caviteitsschema te volgen, een resulterende modulatiebandbreedte in het 100 GHz-bereik wordt verwacht.

"Hier introduceren we een paradigmaverschuiving in laserontwerp. We gebruiken een nieuwe benadering met gekoppelde holtes om de feedback naar de laser zorgvuldig te beheersen door het laserlicht aanzienlijk te vertragen. Deze benadering met gekoppelde holte voegt een nieuwe mate van vrijheid toe aan laserontwerp, met kansen in zowel fundamentele wetenschap als technologie, " zegt Volker Sorger, universitair hoofddocent elektrische en computertechniek aan de George Washington University.

"Deze uitvinding komt op het juiste moment, aangezien de vraag naar datadiensten snel groeit en op weg is naar communicatienetwerken van de volgende generatie, zoals 6G, maar ook in auto's als nabijheidssensor of gezichts-ID van smartphones. Verder, het gekoppelde holtesysteem maakt de weg vrij voor opkomende toepassingen in kwantuminformatieprocessors zoals coherente Ising-machines, " voegt Dr. Hamed Dalir toe, co-auteur van het papier en uitvinder van de technologie.