助力高速计算！科学家打造出新型法诺激光器，具备大幅提升的相干性

DTU的科学家们已经证明，一种新型的微型激光器——法诺激光器（Fano laser），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具有重要意义，如集成光子学、电子学与光子学的接口以及光学传感器。

信息技术运作传输，正造成全球能源越来越严重的消耗。而采用光子技术，则可以以极低的能量消耗来执行这些操作，并且带来非常高的数据速率。也因此，这一技术已被确定为实现容量需求可持续增长的一大关键技术。

然而，现有的激光设计不能仅仅按比例缩小，以达到下一代集成器件的目标，因此需要在纳米光子学领域的基础上去获得新的发现。

在Villum Excellence中心（NATEC）、新成立的DNRF Excellence中心（NanoPhoton）和ERC Advanced Grant的支持下，DTU的科学家们正在利用一种名为法诺干涉（Fano interference）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、低噪声的纳米激光器（称为法诺激光器）、光学晶体管和工作在单光子水平的量子器件提供了机会。

现在，DTU的科学家已经证明，与现有的微观激光器相比，法诺激光器的相干性可以得到显著改善。该研究结果发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）杂志上。

“激光器的相干性，是测量激光器产生的光的颜色纯度的指标。更高的相干性对于许多应用是必不可少的，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，导致了巨大的信息容量。”DTU Fotonik教授、NATEC和NanoPhoton中心负责人Jesper M?rk表示。

“法诺激光的尺寸只有几微米（一微米是千分之一毫米），它在一种不寻常的光学状态下工作，这种状态被称为连续体的束缚状态，由法诺共振引起。这种状态的存在是由一些量子力学的早期先驱首先发现的，但多年来一直没有通过实验观察到。在这篇论文中，我们证明了这种在连续介质中的束缚态的特性可以用来改善激光的相干性。”

“这个观察结果有些令人惊讶，”该研究的第一作者、DTU Fotonik的高级研究员Yi Yu补充说，“因为连续体中的束缚态比通常用于激光的状态要弱得多。我们在论文中通过实验和理论证明，这种新状态的特性是可以利用的。”

为了达成目标，研究团队与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，称为埋地异质结构技术（Buried Heterostructure Technology）。这种技术让小的、纳米大小的有源材料区域成为了可能，在那里产生光，而其余的激光结构是被动的。正是法诺共振的物理学与这项技术相结合，最终实现了对量子噪声的抑制，为微观激光器带来了最高可测量的相干性。

这一新的发现，可能会导致法诺激光在集成电子－光子电路中的应用，特别是在新一代的高速计算机中。在今天的计算机中，电信号用于逻辑运算，也用于在计算机的不同部分之间传输数据。然而，由于欧姆损耗，在传输中浪费了大量的能量。

法诺激光的主要作用，是将电子数据转换为光信号，然后在计算机内几乎没有损失地传输——就像今天在互联网上的光纤所做的那样。从长远来看，我们将能得以最小的能源消耗，获得速度更快的计算机芯片。