Ny fysik baner vejen for mikroskopiske lasere med høj kohærens

I dag står informationsteknologi for en stigende del af det globale energiforbrug, og fotonik, der opererer med meget høje datahastigheder og ultralavt energiforbrug pr. bit, er blevet udpeget som en nøgleteknologi, når det handler om at omsætte kapacitetsbehovene til bæredygtig vækst.

Det er imidlertid ikke muligt blot at nedskalere eksisterende laserdesign for at nå målene for den næste generation af integrerede enheder, og der er derfor behov for nye landvindinger inden for nanofotonik.

Med støtte fra et Villum Center of Excellence, NATEC, et nyoprettet grundforskningscenter, NanoPhoton, fra Danmarks Grundforskningsfond, og Det Europæiske Forskningsråd (ERC) er forskere fra DTU i gang med at undersøge fysikken og applikationerne i en ny klasse af fotoniske strukturer ved hjælp af et fænomen kendt som Fano-interferens. Denne fysiske effekt gør det muligt at udvikle ultrahurtige og støjsvage nanolasere (kaldet Fano-lasere), optiske transistorer, samt kvante-enheder, der opererer med enkelte fotoner.

Nu har forskergruppen fra DTU vist, at Fano-laserens kohærens kan forbedres markant i forhold til eksisterende mikroskopiske lasere. Resultatet er offentliggjort i tidsskriftet Nature Photonics.

”Laserens kohærens er et mål for renheden af farven på det lys, laseren genererer. En højere kohærens er afgørende for mange applikationer, såsom on-chip kommunikation, programmerbare integrerede fotoniske kredsløb, kvanteteknologi og neuromorfiske computersystemer. For eksempel kan optiske kommunikationssystemer overføre data ekstremt effektivt og ved høje datarater under udnyttelse af kohærensen af lyset,” siger Jesper Mørk, professor ved DTU Fotonik og centerleder for NATEC og NanoPhoton.

Jesper Mørk forklarer videre:

”Fano-laseren er ikke større end et par mikrometer (en mikrometer er en tusindedel af en millimeter), og den opererer i en usædvanlig optisk tilstand, en såkaldt bundet kontinuum-tilstand. Eksistensen af en sådan tilstand blev først identificeret af nogle af de tidlige pionerer inden for kvantemekanik, men i mange år undgik den eksperimentel observation. I forskningsartiklen viser vi, at egenskaber ved en sådan bundet kontinuum-tilstand kan udnyttes til at forbedre laserens kohærens.”

”Det er en overraskende opdagelse,” tilføjer hovedforfatter og seniorforsker på DTU Fotonik, Yi Yu, ”da en bundet kontinuum-tilstand er langt mindre robust end de tilstande, der almindeligvis anvendes i lasere. I vores forskningsartikel viser vi, eksperimentelt såvel som teoretisk, at de særlige forhold i denne nye tilstand kan bruges til vores fordel.”

Yi Yu fortsætter:

”For at nå det mål har vi udviklet en avanceret nanoteknologi-platform, kaldet Buried Heterostructure Technology, i samarbejde med professor Kresten Yvind og hans forskningsgruppe på DTU Fotonik. Teknologien gør det muligt at realisere små nanostrukturer med aktivt materiale, hvor lyset genereres, imens den resterende laserstruktur er passiv. Det er ved hjælp af denne teknologi, at Fano-resonansen i sidste ende er i stand til at reducere kvantestøjen, hvilket fører til den højest målte kohærens for mikroskopiske lasere.”

Disse nye opdagelser kan bane vejen for brugen af Fano-lasere i integrerede kredsløb til gavn for nye generationer af højhastighedscomputere. En moderne computer bruger elektriske signaler til at udføre logiske operationer samt til at overføre data mellem forskellige dele af computeren. Men på grund af ohmsk modstand går der en masse energi til spilde under overførslen. Fano-laserens primære rolle bliver at konvertere de elektriske data til lyssignaler, som derefter overføres internt i computeren næsten uden energitab – ligesom det sker i optiske fibre på internettet i dag. Det langsigtede perspektiv er at skabe meget hurtigere computerchips, som forbruger langt mindre energi.