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一种更快的互联网激光器

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由加州理工大学的一个研究小组开发的新型激光器,具有提高数量级数据传输率在光纤网络 - 互联网骨干中的潜力。

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该研究发表在2月10日至14日在在线版的国家科学院院刊。这项工作是由Amnon Yariv,Martin和Eileen Summerfield应用物理教授和电气工程教授的实验室研究人员五年努力的结果;该项目由博士后学者Christos Santis(博士13)和研究生Scott Steger领导。

光能够传输大量的信息 - 大约是微波的约10,000倍,这是早期的远距离通信的载体。但要利用这种潜力,激光光谱需要尽可能接近单一频率。音色越纯,信息就越多,几十年来,研究人员一直在努力开发一种尽可能接近发射一个频率的激光。

Amnon Yariv实验室开发的新型激光器包括一层不吸收光线的硅层,这对激光纯度至关重要。加利福尼亚州Amnon Yariv /加州理工

当今世界范围内的光纤网络仍然采用被称为分布式反馈半导体(S-DFB)激光器的激光器,该激光器在20世纪70年代中期在Yariv的研究小组中开发。 S-DFB激光器在光通信领域的不寻常的使用寿命源于其当时无与伦比的光谱纯度 - 光发射的频率与单一频率相匹配的程度。激光器的光谱纯度增加直接转化为更大的激光束信息带宽和更长的光纤传输距离,从而使得更多的信息可以比以前更加快速地传输。

当时,这种前所未有的光谱纯度是纳米级波纹纳入激光多层结构的直接结果。类似搓衣板的表面起到了一种内部过滤器的作用,区分了污染理想波频率的虚假“噪声”波。虽然旧的S-DFB激光器已经在光通信方面成功运行了40年,并被认为是Yariv获得2010年国家科学奖章的主要原因,但激光的光谱纯度或连贯性不再满足增加对带宽的需求。

“成为我们项目主要动力的是当今的激光器设计,甚至是我们的S-DFB激光器,都具有不利于高光谱纯度操作的内部结构。这是因为它们允许大的理论上不可避免的光学噪声与相干激光相混合,从而降低其光谱纯度。“他说。

旧的S-DFB激光器由称为III-V族半导体的材料连续结晶层组成 - 通常是砷化镓和磷化铟,可以将流过结构的电流转换为光。一旦生成,光就存储在相同的材料内。由于III-V族半导体也是强光吸收剂,而这种吸收会导致光谱纯度的降低,研究人员寻求新型激光器的另一种解决方案。

高相干性的新型激光器仍然使用III-V族材料将电流转换为光,但与S-DFB激光器基本上不同,它将光存储在不吸收光的硅层中。这种硅层(S-DFB激光器的波纹表面的变体)的空间图案化使得硅起到聚光器的作用,将新产生的光从吸光的III-V材料中拉出并进入近吸收无硅。

这个新获得的高光谱纯度 - 比S-DFB激光器的频率窄20倍的频率范围可能对于光纤通信的未来尤其重要。原来,光纤中的激光束以光脉冲传送信息,通过快速打开和关闭激光器,数据信号被印在光束上, 并且产生的光脉冲通过光纤传送。然而,为了满足日益增长的带宽需求,通信系统工程师现在正在采用一种新的方法来打印不再需要这种“开关”技术的激光束上的数据。这种方法被称为相干相位通信。

在相干相位通信中,数据存在波浪到达时间的小延迟;延迟 - 持续时间的一小部分(10-16) - 可以准确地传递信息甚至超过数千英里。携带视频,数据或其他信息的数字电子比特在激光器中被转换成否则稳定的光波中的这些小的延迟。但是可能的延迟的数量以及通道的数据承载能力基本上受到激光束的光谱纯度的限制。这种纯洁永远不可能是绝对的 - 物理定律的一个局限性 - 但是用新的激光器,Yariv和他的团队试图尽可能地接近绝对纯度。

这些研究结果发表在一篇名为“基于整合式高性能 Q 谐振器的混合Si / III-V平台的高相干半导体激光器”。

来源:Caltech

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