新型垂直腔面发射激光器

来自乔治华盛顿大学的研究人员开发了一种新的垂直腔面发射激光器（VCSEL）的设计，它显示出创纪录的快速时间带宽。这可以通过组合多个横向耦合腔来实现，这样可以增强激光器的光反馈。垂直腔面发射激光器已经成为数据中心和超级计算机中实现节能和高速光互连的重要途径。

垂直腔面发射激光器是半导体激光二极管的一个重要类别，伴随着单片激光谐振器，它在垂直于芯片表面的方向发射光。这类激光器因其体积小、光电性能高而越来越受到市场的重视。作为小型化激光器，它们被用作高速、短波通信和光数据网络的光源。密集的交通和高速传输是智能传感器在汽车或数据通信中应用的关键要求，这些应用由紧凑和高速垂直腔面发射激光器实现。然而，垂直腔面发射激光器的3db带宽，即垂直腔面发射激光器的速度极限，受到热效应、寄生电阻、电容和非线性增益效应的限制。

上图所示为快速、强大的紧凑型激光器：用于下一代数据中心和传感器的新型垂直腔面发射激光器（VCSEL）

垂直腔面发射激光器的直接调制不能超过30GHz，这是由于非线性光学放大效应，即增益松弛振荡。本发明介绍了一种革命性的新颖垂直腔面发射激光器设计。由于激光器内部的反馈需要仔细管理，研究人员引入了一种结合多个耦合腔的多反馈方法。这使得它们能够增强被称为“慢光”的反馈，从而使时间激光带宽（速度）超过已知的弛豫振荡频率极限。这项创新是突破性的，因为每个腔体的直接反馈只需要适度，并且可以通过耦合腔精确控制，从而实现更高程度的设计自由度。在这种耦合腔方案之后，预期在100ghz范围内产生调制带宽。

 “这里我们介绍了激光设计的一个范式转变。我们利用一种新颖的耦合腔方法，通过显著降低激光的速度来仔细控制对激光器的反馈。这种耦合腔方法为激光设计增加了一个新的自由度，在基础科学和技术方面都有机会，”乔治华盛顿大学电子和计算机工程副教授Volker Sorger说。

“这项发明是及时的，因为对数据服务的需求正在迅速增长，并朝着下一代通信网络（如6G）发展，同时也在汽车领域作为接近传感器或智能手机的面部识别系统（face ID）。此外，还可以为耦合腔系统为量子信息处理器（如量子退火机）等新兴应用铺平了道路。”该论文的合著者、这项技术的发明者Hamed Dalir博士补充道。

原文链接：https://phys.org/news/2020-11-vertical-cavity-surface-emitting-laser.html