近期美國在光通訊方面研發(fā)屢獲突破，白激光研制成功和新型材料研制成功，有望帶來超快全光通訊，光通訊行業(yè)再迎革命性事件。
美研制成功白色激光
自上世紀60年代問世以來，激光已在多個領(lǐng)域“大顯身手”，但它一直有一個短板，就是只能發(fā)出單一波長的光?，F(xiàn)在，美國科學(xué)家解決了這個問題，他們首次研制出了一款能發(fā)白光的激光器。研究人員表示，白光激光器比發(fā)光二極管（LED）更亮且能效更高，未來將在照明和無線通訊領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)7月30日報道，由美國亞利桑那州立大學(xué)電子、計算機和能源工程學(xué)院的寧存政（音譯）領(lǐng)導(dǎo)的團隊研制出一種新奇的納米薄片。這塊纖細半導(dǎo)體的大小僅為頭發(fā)絲的五分之一，厚度僅為頭發(fā)絲厚度的千分之一，其擁有三個平行的部分，每部分能發(fā)出紅、藍、綠三原色中的一種顏色的激光。整個設(shè)備能發(fā)射所有可見光的激光，從紅色到綠色再到藍色，或兩者之間的任何顏色，當三原色“相遇”時，就出現(xiàn)了白色的激光。
最新研究讓激光替代LED成為主流光源向前進了一步。激光更亮、能效更高且能提供更精確和生動鮮艷的顯示顏色，可用于計算機和電視屏幕上。研究人員也證實，他們的新型設(shè)備能發(fā)出比目前的顯示器工業(yè)標準多70％的顏色。
該研究的另一個重要應(yīng)用或?qū)⑹强梢姽馔ㄓ嶎I(lǐng)域，未來室內(nèi)照明系統(tǒng)或也可用于通訊?？茖W(xué)家們目前正在研發(fā)的技術(shù)名為“Li-Fi”（也就是可見光無線通信，利用快速的光脈沖無線傳輸信息）。而現(xiàn)在的“Wi-Fi”使用的是無線電波。Li-Fi的速度可以達到Wi-Fi的10多倍，而白色激光Wi-Fi可能是目前正在研發(fā)的基于LED的Li-Fi的10到100多倍。
盡管這個概念非常重要，但要想將這種發(fā)白光的激光器應(yīng)用于現(xiàn)實生活中的照明或顯示屏系統(tǒng)內(nèi)，還面臨很大的障礙。研究人員表示，接下來的關(guān)鍵是在電池的驅(qū)動下獲得同樣的白色激光。就目前的演示而言，研究人員必須使用一臺激光器來讓電子發(fā)光。最新實驗將為最終在電操作下獲得白色激光鋪平道路。
新型材料望帶來超快全光通訊
美國普渡大學(xué)研究人員開發(fā)出一種新的“等離子氧化材料”，有望帶來超快全光通訊技術(shù)，至少比傳統(tǒng)技術(shù)要快10倍。相關(guān)論文發(fā)表在近期美國光學(xué)協(xié)會的《光學(xué)》雜志上。
光通信是用激光脈沖沿光纖來傳輸信息，用于電話服務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)和有線電視；而全光技術(shù)無論是數(shù)據(jù)流還是控制信號都是光脈沖，不用任何電信號來控制系統(tǒng)。研究人員證明了鋁摻雜氧化鋅（AZO）制造出的光學(xué)薄膜材料是可調(diào)制的。他們用鋁摻雜氧化鋅，在氧化鋅中浸滿了鋁原子以改變材料的光學(xué)性質(zhì)，使它在特定波長下變得像一種金屬，而在其他波長下像高電阻介質(zhì)。
AZO薄膜的折射率接近于零，它能利用電子云狀的表面等離激元來控制光。脈沖激光會改變AZO的折射率，從而調(diào)制反射光的量。這種材料能在近紅外光譜范圍工作，可用在光通訊中，并與互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）兼容。
研究人員的設(shè)想是利用這種材料來創(chuàng)造一種“全光等離子調(diào)制器”，或叫光學(xué)晶體管。在電子設(shè)備中，硅基晶體管負責開關(guān)電源、放大信號。光學(xué)晶體管是用光而不是電來執(zhí)行類似任務(wù)，會使系統(tǒng)運行大大加速。
用脈沖激光照射這種材料，材料中的電子會從一個能級（價帶）移動到更高能級（導(dǎo)帶），留下空穴，并最終與這些空穴再次結(jié)合。晶體管開關(guān)的速度受限于完成這一周期的時間。在他們的AZO薄膜中，這一周期約為350飛秒，比晶體硅要快約5000倍。把這種速度提升轉(zhuǎn)化到設(shè)備中，至少比傳統(tǒng)硅基電子設(shè)備要快10倍。
基于激光照明實現(xiàn)Li-Fi有望替代Wi-Fi
你還在為Wi-Fi信號區(qū)域分布不均并且信號弱感到惱火么?Li-Fi可能是答案。這項技術(shù)使用基于LED室內(nèi)照明而不是無線電波數(shù)據(jù)傳輸。但Li-Fi的主要支持者的眼光已經(jīng)超于LED，用基于激光照明實現(xiàn)Li-Fi，數(shù)據(jù)傳輸速率或增加10倍。
“問題是LED燈，雖然它們的能量效率是比白熾燈高，但仍然可以提高它們的光輸出效率。”德國物理學(xué)家、愛丁堡大學(xué)哈拉爾德·哈斯（HaraldHaas）教授說：“我們相信高效節(jié)能照明的下一波將基于激光二極管”。哈斯和他的團隊研究表明，用激光二極管替換現(xiàn)有的LED燈可以大大改善現(xiàn)在的情形。激光器的高能量與光效率，傳輸數(shù)據(jù)的速率可以比LED快10倍，愛丁堡大學(xué)的激光Li-Fi傳輸速度甚至可突破100G每秒。
由Li-Fi到拐彎變速：激光的那些速度之最
近日，愛丁堡大學(xué)研究表明，用激光二極管替換現(xiàn)有的LED燈可以大大提升Li-Fi數(shù)據(jù)傳輸速率。雖然基于LED的Li-Fi可達到10Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以改善Wi-fi7Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率上限。激光傳輸數(shù)據(jù)的速率可以很容易超出100Gb/s。
隨著科技發(fā)展，激光技術(shù)已經(jīng)在材料加工領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。另一方面，激光作為先進的光源技術(shù)在科研領(lǐng)域正“大展身手”，創(chuàng)造了一個又一個速度之最。
1、新型石墨烯光電探測器轉(zhuǎn)化速度接近極限
由西班牙光子科學(xué)研究所的研究員弗朗克·科朋斯教授、加泰羅尼亞高等研究院的尼爾克·范·赫斯特、美國麻省理工學(xué)院的帕博羅·加里洛-赫耶羅，以及加州大學(xué)河濱分校物理系教授劉津?qū)帲ㄒ糇g）領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊研制出了這種基于石墨烯的光電探測器轉(zhuǎn)化儀，其能在不到50飛秒的時間內(nèi)將光轉(zhuǎn)化為電，將光電轉(zhuǎn)化速度推到了極限。最新研究已發(fā)表在近期出版的《自然·納米技術(shù)》雜志上。
為了做到這一點，研究人員使用了超快的脈沖激光激發(fā)以及超高靈敏度的電子讀出方法。研究人員克拉斯-揚·泰爾說：“這一實驗的獨特之處在于，將從單分子超快光子學(xué)所獲得的超快脈沖成型技術(shù)與石墨烯電子技術(shù)完美結(jié)合在一起，再加上石墨烯的非線性光—熱電反應(yīng)，使科學(xué)家們能在如此短的時間內(nèi)將光轉(zhuǎn)化為電信號。”
研究人員稱，由于石墨烯內(nèi)所有導(dǎo)帶載流子之間存在著超快且超高效的關(guān)聯(lián)，在石墨烯內(nèi)快速制造出光電壓是可能的。這種相互關(guān)聯(lián)使他們可以采用一種不斷升高的電子溫度，快速制造出一種電子分布。如此一來，從光吸收的能量能被有效且快速地轉(zhuǎn)變成電子的熱量。隨后，在擁有兩種不同摻雜的兩個石墨烯區(qū)域的交界處，電子的熱量被轉(zhuǎn)變成電壓。實驗結(jié)果表明，這種光熱電效應(yīng)幾乎同時出現(xiàn)，被吸收的光可以快速轉(zhuǎn)變成電信號。
研究人員表示，最新研究打開了一條通往超快光電轉(zhuǎn)化的新通路。科朋斯強調(diào)說：“石墨烯光電探測器擁有令人驚奇的性能，可以應(yīng)用于很多領(lǐng)域。”
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