Исследование было опубликовано 10-14 февраля в онлайн-издании Proceedings of the National Academy of Sciences. Работа является результатом пятилетних усилий исследователей лаборатории Амнона Ярива, профессора Мартина и Эйлин Саммерфилд прикладной физики и профессора электротехники; Проект возглавляли докторант Христос Сантис (PhD ’13) и аспирант Скотт Стегер.
Свет способен передавать огромные объемы информации — примерно в 10 000 раз больше, чем у микроволн, ранее использовавшихся для связи на большие расстояния. Но чтобы использовать этот потенциал, лазерный свет должен быть как можно более спектрально чистым — как можно ближе к одной частоте. Чем чище тон, тем больше информации он может нести, и на протяжении десятилетий исследователи пытались разработать лазер, который максимально приближен к излучению только одной частоты.Сегодняшняя всемирная волоконно-оптическая сеть по-прежнему питается от лазера, известного как полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью (S-DFB), который был разработан в середине 1970-х годов исследовательской группой Ярива.
Необычайная долговечность лазера S-DFB в оптической связи проистекала из его беспрецедентной по тем временам спектральной чистоты — степени, в которой излучаемый свет соответствовал одной частоте. Повышенная спектральная чистота лазера напрямую выражается в увеличении ширины полосы пропускания информации лазерного луча и увеличении возможных расстояний передачи в оптическом волокне, в результате чего больше информации может передаваться дальше и быстрее, чем когда-либо прежде.В то время эта беспрецедентная спектральная чистота была прямым следствием включения наноразмерной гофры в многослойную структуру лазера. Поверхность, похожая на стиральную доску, действовала как своего рода внутренний фильтр, распознающий ложные «шумные» волны, загрязняющие идеальную частоту волны.
Хотя старый лазер S-DFB успешно использовался в оптической связи в течение 40 лет — и был назван основной причиной того, что Ярив получил Национальную медаль науки 2010 года, — спектральная чистота или когерентность лазера больше не удовлетворяет постоянно растущий спрос на пропускную способность.«Главным мотивом нашего проекта стало то, что современные конструкции лазеров — даже наш лазер S-DFB — имеют внутреннюю архитектуру, которая неблагоприятна для работы с высокой спектральной чистотой.
Это связано с тем, что они допускают большие и теоретически неизбежный оптический шум, который смешивается с когерентным лазером и, таким образом, ухудшает его спектральную чистоту », — говорит он.Старый лазер S-DFB состоит из непрерывных кристаллических слоев материалов, называемых полупроводниками III-V — обычно арсенид галлия и фосфид индия — которые преобразуют в свет приложенный электрический ток, протекающий через структуру. После генерации свет сохраняется в том же материале. Поскольку полупроводники III-V также являются сильными поглотителями света, а это поглощение приводит к ухудшению спектральной чистоты, исследователи искали другое решение для нового лазера.
Новый лазер с высокой когерентностью по-прежнему преобразует ток в свет, используя материал III-V, но в корне отличия от лазера S-DFB, он хранит свет в слое кремния, который не поглощает свет. Пространственное формирование этого слоя кремния — вариант гофрированной поверхности лазера S-DFB — заставляет кремний действовать как концентратор света, оттягивая вновь генерируемый свет от светопоглощающего материала III-V в кремний, почти не содержащий абсорбции.Эта недавно достигнутая высокая спектральная чистота — диапазон частот в 20 раз более узкий, чем это возможно с лазером S-DFB — может быть особенно важен для будущего волоконно-оптической связи. Первоначально лазерные лучи в оптических волокнах несли информацию в импульсах света; информационные сигналы подавались на луч путем быстрого включения и выключения лазера, и полученные световые импульсы передавались по оптическим волокнам.
Однако, чтобы удовлетворить растущий спрос на полосу пропускания, инженеры систем связи теперь применяют новый метод передачи данных на лазерные лучи, который больше не требует этого метода «включения-выключения». Этот метод называется когерентной фазовой связью.В когерентной фазовой связи данные находятся с небольшими задержками во времени прихода волн; задержки — крошечные доли (10–16) секунды — могут затем точно передать информацию даже на тысячи миль. Цифровые электронные биты, несущие видео, данные или другую информацию, преобразуются в лазере в эти небольшие задержки в стабильной световой волне.
Но количество возможных задержек и, следовательно, пропускная способность канала для передачи данных в основном ограничивается степенью спектральной чистоты лазерного луча. Эта чистота никогда не может быть абсолютной — ограничение законов физики — но с новым лазером Ярив и его команда попытались приблизиться к абсолютной чистоте, насколько это возможно.
Эти результаты были опубликованы в статье «Высококогерентные полупроводниковые лазеры на основе интегральных высокодобротных резонаторов в гибридных платформах Si / III-V». Помимо Ярива, Сантиса и Стегера, в число других соавторов Калифорнийского технологического института входят аспирант Яков Виленчик и бывший аспирант Арсений Васильев (кандидат наук, 13). Работа финансировалась Управлением армейских исследований, Национальным научным фондом и Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США.
Лазеры были изготовлены в Институте нанонауки Кавли при Калифорнийском технологическом институте.