Dieci anni nel futuro. Questo è quanto lontano stanno raggiungendo il professore di ingegneria elettrica e informatica della University of California di Santa Barbara John Bowers e il suo team di ricerca con il recente sviluppo dei loro laser a punti quantici bloccati in modalità su silicio. È una tecnologia che non solo può aumentare enormemente la capacità di trasmissione dei dati dei data center, società di telecomunicazioni e prodotti hardware di rete a venire, ma fallo con un'elevata stabilità, basso rumore e l'efficienza energetica della fotonica del silicio.

"Il livello del traffico dati nel mondo sta salendo molto, molto veloce, " ha detto Bowers, coautore di un articolo sulla nuova tecnologia nella rivista ottica . Parlando in generale, Lui ha spiegato, la capacità di trasmissione e dati dell'infrastruttura di telecomunicazioni all'avanguardia deve raddoppiare all'incirca ogni due anni per sostenere alti livelli di prestazioni. Ciò significa che anche adesso, aziende tecnologiche come Intel e Cisco devono puntare sull'hardware del 2024 e oltre per rimanere competitive.

Inserisci l'alto numero di canali del Bowers Group, 20 gigahertz, laser a punti quantici con modalità bloccata passivamente, coltivato direttamente, per la prima volta, a conoscenza del gruppo, su un substrato di silicio. Con una comprovata capacità di trasmissione di 4,1 terabit al secondo, fa un balzo in avanti stimato di un intero decennio rispetto al miglior standard commerciale odierno per la trasmissione dei dati, che attualmente raggiunge i 400 gigabit al secondo su Ethernet.

La tecnologia è l'ultimo candidato ad alte prestazioni in una tecnica consolidata chiamata multiplexing a divisione di lunghezza d'onda (WDM), che trasmette numerosi segnali paralleli su una singola fibra ottica utilizzando diverse lunghezze d'onda (colori). Ha reso possibile lo streaming e il trasferimento rapido dei dati su cui possiamo fare affidamento per le nostre comunicazioni, intrattenimento e commercio.

La nuova tecnologia del gruppo Bowers si avvale di numerosi progressi nelle telecomunicazioni, fotonica e materiali con il suo laser a punti quantici, un minuscolo, sorgente luminosa di dimensioni micron, in grado di emettere un'ampia gamma di lunghezze d'onda luminose su cui è possibile trasmettere i dati.

"Vogliamo lunghezze d'onda più coerenti generate in una fonte di luce economica, " disse Songtao Liu, un ricercatore post-dottorato nel gruppo Bowers e autore principale dell'articolo. "I punti quantici possono offrirti un ampio spettro di guadagno, ed è per questo che possiamo ottenere molti canali." Il loro laser a punti quantici produce 64 canali, distanziati a 20 GHz, e può essere utilizzato come trasmettitore per aumentare la capacità del sistema.

Il laser è passivamente "bloccato in modalità", una tecnica che genera "pettini" ottici coerenti con spaziatura fissa dei canali, per prevenire il rumore dalla concorrenza di lunghezze d'onda nella cavità laser e stabilizzare la trasmissione dei dati.

Questa tecnologia rappresenta un significativo progresso nel campo dei circuiti integrati elettronici e fotonici al silicio, in cui l'obiettivo principale è creare componenti che utilizzino luce (fotoni) e guide d'onda, senza precedenti per capacità di dati e velocità di trasmissione, nonché efficienza energetica, insieme e persino al posto di elettroni e fili. Il silicio è un buon materiale per la qualità della luce che può guidare e preservare, e per la facilità e il basso costo della sua fabbricazione su larga scala. Però, non è così buono per generare luce.

"Se vuoi generare luce in modo efficiente, vuoi un semiconduttore band-gap diretto, " disse Liù, riferendosi alla proprietà strutturale elettronica ideale per i solidi che emettono luce. "Il silicio è un semiconduttore a banda proibita indiretto". Il laser a punti quantici del gruppo Bowers, cresciuto su silicio molecola per molecola presso le strutture di nanofabbricazione della UC Santa Barbara, è una struttura che sfrutta le proprietà elettroniche di diversi materiali semiconduttori per prestazioni e funzioni (compresi i loro band-gap diretti), oltre ai ben noti vantaggi ottici e produttivi del silicio.

Questo laser a punti quantici, e componenti simili, dovrebbero diventare la norma nelle telecomunicazioni e nell'elaborazione dei dati, poiché le aziende tecnologiche cercano modi per migliorare la capacità dei dati e la velocità di trasmissione.

"I data center stanno acquistando grandi quantità di ricetrasmettitori fotonici al silicio, " ha sottolineato Bowers. "Ed è passato dal nulla due anni fa."

Da quando Bowers dieci anni fa dimostrò il primo laser ibrido al silicio al mondo (uno sforzo in collaborazione con Intel), il mondo della fotonica al silicio ha continuato a creare una maggiore efficienza, tecnologia ad alte prestazioni mantenendo il minor ingombro possibile, con un occhio alla produzione di massa. Il laser a punti quantici su silicio, Bowers e Liu dicono, è una tecnologia all'avanguardia che offre le prestazioni superiori che saranno ricercate per i dispositivi futuri.

"Stiamo girando lontano là fuori, " ha detto Bowers, che detiene la cattedra Fred Kavli in Nanotecnologia, "che è ciò che dovrebbe fare la ricerca universitaria".