激光與硅產生聲波效應的應用

發布時間：2021-03-12

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       近日，耶魯大學的科學家創造了一種新型的硅激光器，該激光器使用聲波來放大光。關于這一發現的研究發表在《科學》雜志的網絡版上。
       近年來，人們越來越有興趣將光學技術“”（例如光纖和自由空間激光器）轉換為微型光學或“光子”？答案是集成電路。對集成電路使用光而不是電，可以以傳統電子產品無法實現的速度發送和處理信息。研究人員說，硅光子技術“基于硅芯片的光學電路”是此類技術的領仙平臺之一，這歸功于它們與現有微電子技術的兼容性。
       “過去幾年，我們已經看到硅光子技術的報炸式增長，” 耶魯大學應用物理學副教授彼得·拉基奇說。“我們不僅開始看到這些技術進入可幫助我們的數據中心完美運行的商業產品，而且我們還發現了新的光子設備和技術，這些新的光子設備和技術可以改變從生物傳感到芯片上量子信息的一切。這確實是一個令人興奮的時刻為領域。”

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硅布里淵激光器在運行中的示意圖（激光由限制光波和聲波的納米級硅結構形成）

       研究人員說，這種快速的增長已經迫切需要新的硅激光器來為新電路供電，“由于硅的間接帶隙，這個問題在歷史上一直很困難。”硅的固有特性，盡管對許多芯片級光學技術非常有用Rakich實驗室的研究生，該研究的弟一作者Nils Otterstrom說：“這使得使用電流產生激光極其困難。這是困擾科學家十多年的問題。為了解決這個問題，我們需要找到其他方法來放大芯片上的光。在我們的例子中，我們結合使用了光波和聲波。”
       激光器的設計將賽道形狀內的放大光圍起來，“使其陷入圓周運動。”賽道設計是創新的關鍵部分。通過這種方式，我們可以醉大化光的放大，并提供發生激光所必需的反饋。”為了放大聲音，硅激光器使用了Rakich實驗室開發的特殊結構。“從本質上講，它是一種納米級波導，旨在將光波和聲波緊密地限制在一起，并使它們之間的相互作用醉大化，” 拉基奇說。“這種波導的獨特之處在于，有兩個不同的光傳播通道，” 該研究的合著者，拉奇赫實驗室的研究生埃里克·基特勞斯（Eric Kittlaus）補充說。“這使我們能夠以允許非常堅固和靈活的激光器設計的方式來成形聲光耦合器。”
       研究人員解釋說，沒有這種類型的結構，在硅中使用聲音進行光的放大是不可能的。“我們已經采取了這些光路中實際上不存在的光聲相互作用，并將它們轉變為硅中醉強的放大機制。” 拉基奇說。“現在，我們能夠將其用于新型激光技術，而十年前沒有人想到過。”奧特斯特倫說，開發新激光器有兩個主要挑戰：“首先，設計和制造放大率超過損耗的設備，然后找出該系統的違反直覺的動力，” 他說。“我們觀察到的是，雖然該系統顯然是光學激光，但它也會產生非常相干的高超聲波。”

研究團隊說，這些特性可能導致許多潛在的應用，從集成振蕩器到用于編碼和解碼信息的新方案。“使用硅，我們可以創建多種激光器設計，每種激光器都有獨特的動力學和潛在的應用，” 合著者Ryan Behunin說，他是北亞利桑那大學的助理教授，Rakich實驗室的前成員。“這些新功能極大地擴展了我們控制和整形硅光子電路中的光的能力。”

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