I solitoni ottici sono pacchetti di onde speciali che si propagano senza cambiare forma. Nelle comunicazioni ottiche, solitoni possono essere utilizzati per generare pettini di frequenza con varie righe spettrali, che consentono di realizzare sistemi di comunicazione ottica ad alta capacità particolarmente efficienti e compatti. Ciò è stato recentemente dimostrato dai ricercatori dell'Istituto di fotonica ed elettronica quantistica (IPQ) e dell'Istituto di tecnologia delle microstrutture (IMT) del KIT insieme ai ricercatori del Laboratorio di fotonica e misurazioni quantistiche dell'EPFL (LPQM).

Come riportato in Natura , i ricercatori hanno utilizzato microrisonatori al nitruro di silicio che possono essere facilmente integrati in sistemi di comunicazione compatti. All'interno di questi risonatori, solitoni circolano continuamente, generando così pettini di frequenza ottica a banda larga. Tali pettini di frequenza, per il quale John Hall e Theodor W. Hänsch hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica nel 2005, costituito da una moltitudine di righe spettrali, che sono allineati su una griglia regolare equidistante. Tradizionalmente, i pettini di frequenza servono come riferimenti ottici ad alta precisione per la misurazione delle frequenze. I cosiddetti pettini di frequenza Kerr presentano ampie larghezze di banda ottiche insieme a interlinee piuttosto grandi, e sono particolarmente adatti per la trasmissione di dati. Ogni singola linea spettrale può essere utilizzata per trasmettere un canale dati separato.

Nei loro esperimenti, i ricercatori di Karlsruhe e Losanna hanno utilizzato due pettini di frequenza interlacciati per trasmettere dati su 179 portanti ottici individuali, che coprono completamente le bande C e L delle telecomunicazioni ottiche e consentono una trasmissione di dati alla velocità di 55 terabit al secondo su una distanza di 75 chilometri. "Ciò equivale a più di cinque miliardi di telefonate o più di due milioni di canali TV HD. È la velocità di trasmissione dati più elevata mai raggiunta utilizzando una sorgente a pettine di frequenza in formato chip, " spiega Christian Koos, professore all'IPQ e all'IMT di KIT e destinatario di uno Starting Independent Researcher Grant dell'European Research Council (ERC) per le sue ricerche sui pettini di frequenza ottica.

I componenti hanno il potenziale per ridurre drasticamente il consumo energetico della sorgente luminosa nei sistemi di comunicazione. La base del lavoro dei ricercatori sono i microrisonatori ottici di nitruro di silicio a bassa perdita. In questi, lo stato solitonico descritto è stato generato per la prima volta dal gruppo di lavoro attorno al professor Tobias Kippenberg all'EPFL nel 2014. Spiegando i vantaggi dell'approccio, Il professor Kippenberg dice, "Le nostre sorgenti a pettine solitoni sono ideali per la trasmissione di dati e possono essere prodotte in grandi quantità a bassi costi su microchip compatti". Il solitone si forma attraverso i cosiddetti processi ottici non lineari che si verificano a causa dell'elevata intensità del campo luminoso nel microrisonatore. Il microrisonatore viene pompato solo attraverso un laser ad onda continua dal quale, per mezzo del solitone, vengono generate centinaia di nuove linee laser equidistanti. Le sorgenti a pettine sono attualmente in fase di applicazione da parte di uno spin-off dell'EPFL.

Il lavoro pubblicato su Natura mostra che le sorgenti a pettine di frequenza solitoni microrisonatori possono aumentare considerevolmente le prestazioni delle tecniche di multiplexing a divisione di lunghezza d'onda (WDM) nelle comunicazioni ottiche. Il WDM consente di trasmettere velocità dati ultra elevate utilizzando una moltitudine di canali dati indipendenti su un'unica guida d'onda ottica. A tal fine, l'informazione è codificata su luce laser di diverse lunghezze d'onda. Per comunicazioni coerenti, le sorgenti a pettine di frequenza solitonica del microrisonatore possono essere utilizzate non solo sul trasmettitore, ma anche lato ricevitore dei sistemi WDM. Le sorgenti a pettine aumentano notevolmente la scalabilità dei rispettivi sistemi e consentono una trasmissione dei dati altamente parallela e coerente con la luce. Secondo Christian Koos, questo è un passo importante verso ricetrasmettitori chip-scale altamente efficienti per le future reti petabit.