La tecnologia dell'informazione continua a progredire a un ritmo rapido. Però, le crescenti esigenze dei data center hanno spinto i sistemi di input-output elettrici al limite fisico, che ha creato un collo di bottiglia. Mantenere questa crescita richiederà un cambiamento nel modo in cui costruiamo i computer. Il futuro è ottico.

Nell'ultima decade, il campo della fotonica ha fornito una soluzione al problema della larghezza di banda chip-to-chip nel mondo elettronico aumentando la distanza di collegamento tra server con larghezza di banda maggiore, molta meno energia, e latenza inferiore rispetto alle interconnessioni elettriche.

Un elemento di questa rivoluzione, fotonica del silicio, è stato avanzato quindici anni fa quando UC Santa Barbara e Intel hanno dimostrato la tecnologia laser al silicio. Questo da allora ha innescato un'esplosione di questo campo. Intel sta ora fornendo milioni di ricetrasmettitori fotonici al silicio per data center in tutto il mondo.

Ora, una collaborazione tra UC Santa Barbara, Caltech, e l'EPFL hanno fatto un'altra scoperta rivoluzionaria nel campo. Il gruppo è riuscito a semplificare e condensare un complesso sistema ottico su un singolo chip fotonico di silicio. Il raggiungimento, pubblicato in Natura , abbassa notevolmente i costi di produzione e permette una facile integrazione con i tradizionali, produzione di chip di silicio.

"L'intera Internet è guidata dalla fotonica ora, "dice John Bowers, che detiene la cattedra Fred Kavli in nanotecnologia presso l'UC Santa Barbara e dirige l'Istituto per l'efficienza energetica del campus e ha guidato lo sforzo di ricerca collaborativa.

Nonostante il grande successo della fotonica nella spina dorsale di Internet, ci sono ancora sfide. L'esplosione del traffico dati significa anche crescenti requisiti per le velocità di trasmissione dati che il chip fotonico in silicio può gestire. Finora, il modo più efficiente per rispondere a questa domanda è utilizzare luci laser multicolori per trasmettere informazioni:più colori laser, più informazioni possono essere trasportate.

Ma questo pone un problema per i laser integrati, che può generare un solo colore di luce laser alla volta. "Potresti letteralmente aver bisogno di cinquanta o più laser in quel chip per quello scopo, " dice Bowers. E l'utilizzo di cinquanta laser è costoso e inefficiente in termini di potenza. Inoltre, rumore e calore possono far fluttuare la frequenza della luce prodotta da ciascun laser. Finalmente, con più laser, le frequenze possono persino spostarsi l'una nell'altra, proprio come facevano le prime stazioni radio.

Una soluzione può essere trovata nella tecnologia dei "pettini a frequenza ottica", che sono raccolte di frequenze di luce laser equidistanti. Tracciare le frequenze rivela picchi e avvallamenti che ricordano un pettine per capelli, da cui il nome.

La generazione di pettini richiedeva attrezzature ingombranti e costose, ma questo può essere ora gestito utilizzando i pettini di frequenza solitonici basati su microrisonatori recentemente emersi, che sono sorgenti a pettine di frequenza miniaturizzate costruite su chip fotonici CMOS. Utilizzando questo approccio di "fotonica integrata", il team di collaboratori ha sviluppato il generatore di pettini più piccolo al mondo, che sostanzialmente risolve tutti questi problemi.

Il sistema è piuttosto semplice, costituito da un laser di feedback disponibile in commercio e un chip fotonico al nitruro di silicio. "Quello che abbiamo è una sorgente che genera tutti questi colori da un laser e un chip, " dice Bowers. "Questo è ciò che è significativo in questo".

La struttura semplice significa piccola scala, meno potenza, e costo inferiore. L'intera configurazione ora si inserisce in un pacchetto più piccolo di una scatola di fiammiferi il cui prezzo complessivo e il consumo energetico sono inferiori rispetto ai sistemi precedenti.

La nuova tecnologia è anche molto più comoda da usare. In precedenza, generare un pettine stabile era stata un'impresa difficile. I ricercatori dovrebbero regolare la frequenza e la potenza nel modo giusto per produrre un pettine solitonico coerente, e anche allora, il processo non era garantito per generare un pettine ogni volta. "Il nuovo approccio rende il processo facile come accendere la luce di una stanza, "dice Kerry Vahala, Professore di Fisica Applicata e Scienze e Tecnologie dell'Informazione al Caltech, dove è stato scoperto il nuovo schema di generazione di solitoni.

"Ciò che è notevole del risultato è la piena integrazione fotonica e riproducibilità con cui è possibile generare pettini di frequenza su richiesta, " aggiunge Tobias J. Kippenberg, Professore di Fisica all'EPFL che dirige il Laboratorio di Fotonica e Misurazione Quantistica (LPQM), e il cui laboratorio ha osservato per la prima volta i microcomb più di dieci anni fa.

Il team dell'EPFL ha fornito i chip fotonici di nitruro di silicio a bassissima perdita, che sono stati fabbricati presso l'EPFL Center of MicroNanoTechnology (CMi) e servono come componente chiave per la generazione di pettini di solitoni. La tecnologia fotonica al nitruro di silicio a bassa perdita è stata commercializzata tramite la startup di laboratorio LIGENTEC.

La "magia" dietro tutti questi miglioramenti risiede in un interessante fenomeno fisico:quando il laser a pompa e il risonatore sono integrati, la loro interazione forma un sistema altamente accoppiato che si autoblocca e genera simultaneamente "solitoni", impulsi che circolano indefinitamente all'interno del risonatore e danno origine a pettini di frequenza ottica.

Si prevede che la nuova tecnologia avrà un ampio impatto sulla fotonica. Oltre a soddisfare le esigenze delle sorgenti luminose multicolori nei prodotti relativi alla comunicazione, apre anche molte nuove opportunità in molte applicazioni. Un esempio sono gli orologi ottici, che forniscono lo standard temporale più accurato al mondo e sono utilizzati in una serie di applicazioni, dalla navigazione alla misurazione delle costanti fisiche.

"Gli orologi ottici erano grandi, pesante, e costoso, " dice Bowers. "Ce ne sono solo pochi al mondo. Con la fotonica integrata, possiamo fare qualcosa che possa stare in un orologio da polso, e te lo puoi permettere."

"I microcomb ottici integrati a basso rumore consentiranno una nuova generazione di orologi ottici, comunicazioni e sensori, "dice Gordon Keeler, il responsabile del progetto presso la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). "Dovremmo vedere più compatti, ricevitori GPS più sensibili che escono da questo approccio."

Tutto sommato, il futuro sembra luminoso per la fotonica. "È il passaggio chiave per trasferire la tecnologia a pettine di frequenza dal laboratorio al mondo reale, " dice Bowers. "Cambierà la fotonica e la nostra vita quotidiana".