新型硅激光器使用声波来放大光

硅布里渊激光器在运行中的示意图。激光由限制光波和声波的纳米级硅结构形成。

耶鲁大学的科学家创造了一种新型的硅激光器，该激光器使用声波来放大光。关于这一发现的研究发表在《科学》杂志的网络版上。

近年来，人们越来越有兴趣将光学技术（例如光纤和自由空间激光器）转换为微型光学或“光子”集成电路。对集成电路使用光而不是电，可以以传统电子产品无法实现的速度发送和处理信息。研究人员说，硅光子技术（基于硅芯片的光学电路）是此类技术的领先平台之一，这归功于它们与现有微电子技术的兼容性。

耶鲁大学应用物理学副教授彼得·拉基奇（Peter Rakich）表示：“过去几年中，我们看到了硅光子技术的爆炸式增长。”“我们不仅开始看到这些技术进入可以帮助我们的数据中心完美运行的商业产品，而且我们还发现了新的光子设备和技术，这些技术可以改变从生物传感到芯片上的量子信息的一切。对于这个领域来说，这确实是一个令人兴奋的时刻。”

研究人员说，这种快速增长已经迫切需要新的硅激光器来为新电路供电—由于硅的间接带隙，这一问题历来很难解决。Rakich实验室的研究生，该研究的第一作者Nils Otterstrom说：“硅的固有特性，尽管对许多芯片级光学技术非常有用，但使使用电流产生激光极其困难。”“这个问题困扰了十多年的科学家。为了解决这个问题，我们需要找到其他方法来放大芯片上的光。就我们而言，我们将光波和声波结合在一起。”

激光设计将放大的光围成跑道形状，将其捕获为圆周运动。跑道设计是创新的关键部分。这样，我们就可以最大程度地放大光，并提供发生激光所必需的反馈。 Otterstrom说。

为了放大声音，硅激光器使用了Rakich实验室开发的特殊结构。Rakich说：“本质上，它是一种纳米级波导，旨在紧密地束缚光波和声波，并使它们之间的相互作用最大化。”

该研究的合著者，Rakich实验室的一名研究生Eric Kittlaus补充说：“这种波导的独特之处在于，有两个不同的光传播通道。”“这使我们能够以允许非常坚固和灵活的激光器设计的方式来塑造光声耦合。”

研究人员解释说，没有这种类型的结构，在硅中使用声音进行光的放大是不可能的。Rakich说：“我们采取了这些光路中实际上不存在的光声相互作用，并将它们转变为硅中最强的放大机制。”“现在，我们可以将其用于新型激光技术，这是十年前没人能想到的。”

奥特斯特伦说，开发新激光器有两个主要挑战：他说：“首先，设计和制造放大率超过损失的器件，然后找出该系统的违反直觉的动力学原理。”“我们观察到的是，尽管该系统显然是光学激光，但它也会产生非常相干的高超音速波。”

研究小组说，这些特性可能导致许多潜在的应用，从集成振荡器到用于编码和解码信息的新方案。“使用硅，我们可以创建多种激光器设计，每种激光器设计都具有独特的动力学和潜在的应用，”北亚利桑那大学助理教授，Rakich实验室的前成员Ryan Behunin说。“这些新功能极大地扩展了我们控制和整形硅光子电路中的光的能力。”

出版物：Nils T. Otterstrom等人，“硅布里渊激光器”，《科学》，2018年6月8日：卷360，第6393期，第1113-1116页DOI：10.1126 / science.aar6113