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物理学新发现:显微激光产生了最高的相干性

丹麦科技大学(DTU)的科学家们已经证明,Fano激光器是一种新型的显微镜激光器,与其他类型的激光器相比具有根本的优势。这一发现对许多未来的应用非常重要,例如集成光子学、电子学和光子学的接口以及光学传感器。

物理学新发现:显微激光产生了最高的相干性

全球能源消耗中越来越多的一部分用于信息技术,以极高的数据速率、超低的每比特能量运行的光电子技术已被确定为实现容量需求可持续增长的关键技术。然而,现有的激光设计不能仅仅为了达到下一代集成器件的目标而缩小规模,因此需要在纳米光子学领域取得根本性的发现。

在相关组织的支持下,DTU的科学家正在利用一种称为Fano干涉的现象探索一类新型光子器件的物理和应用。这种物理效应为实现超快和低噪声纳米激光器(称为Fano激光器)、光学晶体管和在单光子水平上工作的量子器件提供了机会。

现在,DTU的科学家们已经证明,与现有的显微激光器相比,Fano激光器的相干性可以显著提高。这一结果已发表在《自然光子学》上。

物理学新发现:显微激光产生了最高的相干性

“激光的相干性是衡量激光产生的光的颜色纯度的一种方法。更高的一致性对于许多应用至关重要,例如片上通信、可编程光子集成电路、传感、量子技术和神经形态计算。例如,相干光通信系统使用光脉冲的相位来传输和检测信息,从而产生巨大的信息容量”,DTU的Jesper Mrk教授说。

Jesper Mrk进一步解释说:“Fano激光器的尺寸只有几微米(一微米等于千分之一毫米),它在一种不同寻常的光学状态下工作,这种状态是由Fano共振引起的连续体中所谓的束缚态。量子力学的一些早期先驱首先确定了这种状态的存在,但多年来一直逃避实验观察。在这篇论文中,我们展示了连续介质中这种束缚态的特性可以用来提高激光的相干性。”

物理学新发现:显微激光产生了最高的相干性

DTU Fotonik的首席作者兼高级研究员Yi Yu补充道:“这一观察结果有点令人惊讶,因为连续体中的束缚态比激光中常用的态要弱得多。我们在本文中从实验和理论两方面证明,这种新状态的特性可以发挥优势。”

Yi Yu接着说:“为了实现这一目标,我们与DTU Fotonik的Kresten Yvind教授团队合作,开发了一种先进的纳米技术平台,称为埋置异质结构技术。这项技术允许实现小的、纳米尺寸的活性材料区域,在那里产生光,而剩余的激光结构是被动的。正是Fano共振的物理特性与这项技术相结合,最终实现了量子噪声的抑制,从而实现了显微激光的最高测量相干性。”

物理学新发现:显微激光产生了最高的相干性

这一新发现可能会应用在Fano激光器在集成电子光子电路中,特别是在新一代高速计算机中。在今天的计算机中,电信号用于逻辑运算以及在计算机的不同部分之间传输数据。然而,由于欧姆损耗,在传输过程中浪费了大量的能量。Fano激光器的主要作用是将电数据转换为光信号,然后在计算机中几乎不丢失地传输,就像今天互联网上的光纤一样。长远的观点是以最小的能耗获得更快的计算机芯片。

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