«С момента изобретения лазера на спонтанное излучение света смотрели не в пользу стимулированного излучения», — говорит Эли Яблонович, инженер-электрик из отдела материаловедения лаборатории Беркли. «Однако с правильной оптической антенной спонтанное излучение на самом деле может быть быстрее, чем вынужденное излучение».Яблонович, который также работает преподавателем в Калифорнийском университете (UC) в Беркли, где он руководит Центром науки об энергоэффективной электронике NSF (E3S), и является членом Института энергетических нанонаук Кавли в Беркли (Kavli ENSI), руководил команда, которая использовала внешнюю антенну из золота, чтобы эффективно усилить спонтанное излучение света наностержнем, изготовленным из фосфида арсенида индия и галлия (InGaAsP), в 115 раз.
Это приближается к 200-кратному увеличению, которое считается важной разницей в скорости между стимулированными и спонтанными выбросами. Когда будет достигнуто 200-кратное увеличение, скорость спонтанного излучения превысит скорость стимулированного излучения.«С оптическими антеннами, мы считаем, что увеличение скорости спонтанного излучения более чем в 2500 раз возможно при сохранении эффективности излучения света более 50 процентов», — говорит Яблонович. «Замена проводов на микрочипах светодиодами с улучшенными антеннами позволит ускорить взаимодействие и увеличить вычислительную мощность».
Результаты этого исследования опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) в статье под названием «Спонтанное излучение, усиленное оптической антенной». Яблонович и Мин Вуа из Калифорнийского университета в Беркли являются авторами-корреспондентами.
Соавторы — Майкл Эгглстон, Кевин Мессер и Лиминг Чжан.В мире высоких технологий повсеместно распространены лазеры, главная рабочая лошадка для высокоскоростной оптической связи. Однако у лазеров есть недостатки для связи на короткие расстояния, например, один метр или меньше — они потребляют слишком много энергии и обычно занимают слишком много места. Светодиоды были бы гораздо более эффективной альтернативой, но они были ограничены их скоростью спонтанного излучения.
«Спонтанное излучение излучателей молекулярных размеров замедлено на много порядков, потому что молекулы слишком малы, чтобы действовать как собственные антенны», — говорит Яблонович. «Ключом к ускорению этих спонтанных излучений является соединение излучающей молекулы с полуволновой антенной. Несмотря на то, что антенны используются в радио в течение 120 лет, мы почему-то упускаем из виду антенны в оптике. Иногда наблюдаются великие открытия. прямо на нас и ждет ».
Для своей оптической антенны Яблонович и его коллеги использовали конфигурацию арочной антенны. Поверхность наностержня квадратной формы InGaAsP была покрыта слоем диоксида титана, чтобы обеспечить изоляцию между наностержнем и золотой проволокой, которая была нанесена перпендикулярно наностержню для создания антенны.
Полупроводник InGaAsP, который служил материалом спонтанного излучения света, уже широко используется для инфракрасной лазерной связи и фотодетекторов.Помимо приложений связи на короткие расстояния, светодиоды, оснащенные оптическими антеннами, также могут найти важное применение в фотодетекторах. Оптические антенны также могут применяться в приложениях для обработки изображений, био-зондирования и хранения данных.
Это исследование было поддержано E3S, Управлением научных исследований ВВС США и Управлением науки Министерства энергетики США.