Исследование было опубликовано неделя от 10-14 февраля в выпуске онлайн Слушаний Национальной академии наук. Работа – результат пятилетнего усилия исследователей в лаборатории Amnon Yariv, Мартина и профессора Эйлин Саммерфилд Прикладной Физики и преподавателя электротехники; проект был во главе с постдокторским ученым Кристосом Сантис (доктор философии ’13) и аспирант Скотт Стеджер.Свет способен к переносу огромного количества информации – приблизительно в 10,000 раз больше пропускной способности, чем микроволновые печи, более ранний перевозчик дальних коммуникаций. Но использовать этот потенциал, лазерный свет должен быть так же спектрально чистым – максимально близко к одной частоте-.
Чем более чистый тон, тем больше информации это может нести, и для исследователей десятилетий, пытался разработать лазер, который как почти достиг как возможный испускания всего одной частоты.Сегодняшняя международная сеть оптоволокна все еще приведена в действие лазером, известным как полупроводник распределенной обратной связи (S-DFB) лазер, разработанный в середине 1970-х в исследовательской группе Ярива. Необычная долговечность лазера S-DFB в оптических коммуникациях произошла от, в то время беспрецедентная спектральная чистота – степень, до которой свет испустил, соответствовала одной частоте. Увеличенная спектральная чистота лазера непосредственно перевела на большую информационную пропускную способность лазерного луча и более долгие возможные расстояния передачи в оптоволокне – так что в итоге больше информации можно было нести дальше и быстрее чем когда-либо прежде.
В то время эта беспрецедентная спектральная чистота была прямым следствием объединения наноразмерной морщины в многослойной структуре лазера. Подобная стиральной доске поверхность действовала как своего рода внутренний фильтр, предвзято относясь к поддельным «шумным» волнам, загрязняющим идеальную частоту волны. Хотя старый лазер S-DFB имел успешный 40-летний пробег в оптических коммуникациях – и был процитирован в качестве главной причины для Yariv, получающего Национальную Медаль 2010 года в Науке – спектральная чистота, или последовательность, в лазере больше не удовлетворяет постоянно увеличивающийся спрос на пропускную способность.«Что стало главным фактором мотивации для нашего проекта, был то, что современный лазер проектирует – даже у нашего лазера S-DFB – есть внутренняя архитектура, которая неблагоприятна для высокой операции спектральной чистоты.
Это вызвано тем, что они позволяют большому и теоретически неизбежному оптическому шуму смешиваться с последовательным лазером и таким образом ухудшать свою спектральную чистоту», говорит он.Старый лазер S-DFB состоит из непрерывных прозрачных слоев материалов, названных III-V полупроводниками – как правило, арсенидом галлия и индиевым фосфидом – что новообращенный в свет прикладной электрический ток, текущий через структуру. После того, как произведенный, свет сохранен в том же самом материале. Так как III-V полупроводников – также поглотители яркого света – и это поглощение приводит к ухудшению спектральной чистоты – исследователи искали различное решение для нового лазера.
Новый лазер высокой последовательности все еще преобразовывает ток в свет, используя III-V материалов, но в фундаментальном отклонении от лазера S-DFB, это хранит свет в слое кремния, который не поглощает свет. Пространственное копирование этого кремниевого слоя – варианта рифленой поверхности лазера S-DFB – заставляет кремний действовать как легкий концентратор, разделяя недавно произведенный свет от легкого поглощения III-V материалов и в почти кремний без поглощений.Эта недавно достигнутая высокая спектральная чистота – в 20 раз более узкий диапазон частот, чем возможный с лазером S-DFB – мог быть особенно важен для будущего волоконно-оптических коммуникаций. Первоначально, лазерные лучи в оптоволокне несли информацию в световых импульсах; сигналы данных были впечатлены на луче, быстро включив и выключив лазер, и получающиеся световые импульсы несли через оптоволокно.
Однако, чтобы удовлетворить растущий спрос для пропускной способности, инженеры коммуникационных систем теперь принимают новый метод произведения впечатление на данные по лазерным лучам, которые больше не требуют этой «релейной» техники. Этот метод называют последовательной коммуникацией фазы.
В последовательных коммуникациях фазы данные проживают в маленьких задержках во время прибытия волн; задержки – крошечная часть (10-16) из секунды в продолжительности – может тогда точно передать информацию даже более чем тысячи миль. Цифровые электронные биты, несущие видео, данные или другую информацию, преобразованы в лазере в эти маленькие задержки в других отношениях рок-устойчивой световой волны. Но количество возможных задержек, и таким образом пропускная способность данных канала, существенно ограничены степенью спектральной чистоты лазерного луча.
Эта чистота никогда не может быть абсолютной – ограничение законов физики – но с новым лазером, Yariv и его командой попыталось стать близко к абсолютной чистоте, как возможно.Эти результаты были изданы в названной газете, «Полупроводниковые лазеры Высокой последовательности на основе составных высоких-Q резонаторов в гибридных платформах Si/III-V». В дополнение к Yariv, Сантис и Steger, среди других соавторов Калифорнийского технологического института аспирант Яаков Виленчик и бывший аспирант Арсений Васильев (доктор философии, ’13).
Работа финансировалась армейским Исследовательским управлением, Национальным научным фондом и Управлением перспективного планирования оборонных научно-исследовательских работ. Лазеры были изготовлены в Институте Нанонауки Kavli в Калифорнийском технологическом институте.