I ricercatori della George Washington University hanno sviluppato un nuovo design di laser a emissione superficiale a cavità verticale (VCSEL) che dimostra una larghezza di banda temporale da record. Ciò è stato possibile combinando più cavità trasversali accoppiate, che migliora il feedback ottico del laser. I VCSEL sono emersi come un approccio fondamentale per realizzare interconnessioni ottiche efficienti dal punto di vista energetico e ad alta velocità nei data center e nei supercomputer.

I VCSEL sono una classe vitale di diodi laser a semiconduttore che accompagnano un risonatore laser monolitico che emette luce in una direzione perpendicolare alla superficie del chip. Questa classe di laser sta guadagnando importanza sul mercato grazie alle sue dimensioni compatte e alle elevate prestazioni optoelettroniche. Come laser miniaturizzati, sono utilizzati come sorgente ottica in alta velocità, comunicazioni a lunghezza d'onda corta e reti dati ottiche. Il traffico denso e la trasmissione ad alta velocità sono requisiti chiave per le applicazioni di sensori intelligenti nel settore automobilistico o nelle comunicazioni dati, che sono abilitati da VCSEL compatti e ad alta velocità. Però, la larghezza di banda di 3 dB, noto come limite di velocità dei VCSEL, è limitato dagli effetti termici, resistenza ai parassiti, effetti di capacità e guadagno non lineare.

La modulazione diretta dei VCSEL non può superare circa 30 GHz a causa di effetti di amplificazione ottica non lineare noti come oscillazioni di rilassamento del guadagno. Questa invenzione introduce un nuovo design rivoluzionario di VCSEL. Poiché il feedback all'interno del laser deve essere gestito con attenzione, i ricercatori hanno introdotto un approccio multi-feedback combinando più cavità accoppiate. Ciò ha permesso loro di rafforzare il feedback noto come "luce lenta, " estendendo così la larghezza di banda temporale del laser (velocità) oltre il limite noto della frequenza di oscillazione di rilassamento. L'innovazione è rivoluzionaria perché il feedback diretto da ciascuna cavità deve essere solo moderato e può essere controllato con precisione tramite le cavità accoppiate, consentendo una maggiore libertà di progettazione. Seguendo questo schema di cavità accoppiate, è prevista una larghezza di banda di modulazione risultante nell'intervallo di 100 GHz.

"Qui introduciamo un cambiamento di paradigma nella progettazione del laser. Utilizziamo un nuovo approccio a cavità accoppiate per controllare attentamente il feedback al laser ottenuto rallentando significativamente la luce laser. Questo approccio a cavità accoppiate aggiunge un nuovo grado di libertà per la progettazione del laser, con opportunità sia nella scienza fondamentale che nella tecnologia, "dice Volker Sorger, professore associato di ingegneria elettrica e informatica presso la George Washington University.

"Questa invenzione è tempestiva poiché la domanda di servizi dati sta crescendo rapidamente e si sta spostando verso reti di comunicazione di prossima generazione come 6G, ma anche nel settore automobilistico come sensore di prossimità o Face ID di smartphone. Per di più, il sistema a cavità accoppiata apre la strada ad applicazioni emergenti nei processori di informazione quantistica come le macchine Ising coerenti, " aggiunge il dottor Hamed Dalir, coautore della carta e inventore della tecnologia.