Quindici anni fa, Il professore di elettricità e materiali dell'Università di Santa Barbara, John Bowers, ha aperto la strada a un metodo per integrare un laser su un wafer di silicio. Da allora la tecnologia è stata ampiamente implementata in combinazione con altri dispositivi fotonici al silicio per sostituire le interconnessioni con fili di rame che un tempo collegavano i server nei data center, aumentare drasticamente l'efficienza energetica, un'impresa importante in un momento in cui il traffico dati cresce di circa il 25% all'anno.

Per molti anni, il gruppo Bowers ha collaborato con il gruppo di Tobias J. Kippenberg presso l'Istituto Federale Svizzero di Tecnologia (EPFL), nell'ambito del programma DODOS (Direct On-Chip Digital Optical Synthesizer) della Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Il gruppo di Kippenberg ha scoperto "microcomb, "una serie di paralleli, rumore basso, linee laser altamente stabili. Ognuna delle molte linee del pettine laser può trasportare informazioni, moltiplicando ampiamente la quantità di dati che possono essere inviati da un singolo laser.

Recentemente, diverse squadre hanno dimostrato pettini molto compatti posizionando un chip laser a semiconduttore e un chip risonatore ad anello di nitruro di silicio separato molto vicini tra loro. Però, il laser e il risonatore erano ancora dispositivi separati, realizzati indipendentemente e poi posti in stretta vicinanza l'uno all'altro perfettamente allineati, un processo costoso e dispendioso in termini di tempo che non è scalabile.

Il laboratorio Bowers ha collaborato con il laboratorio Kippenberg per sviluppare un laser a semiconduttore integrato su chip e un risonatore in grado di produrre un microcomb laser. Un articolo intitolato "Microcomb di solitoni laser integrati in modo eterogeneo su silicio, " pubblicato nel nuovo numero della rivista Scienza , descrive il successo dei laboratori nel diventare i primi a raggiungere tale obiettivo.

I micropettini Soliton sono pettini a frequenza ottica che emettono linee laser reciprocamente coerenti, ovvero linee che sono in costante, fase immutabile l'una rispetto all'altra. La tecnologia viene applicata nelle aree della temporizzazione ottica, metrologia e rilevamento. Le recenti dimostrazioni sul campo includono comunicazioni ottiche multi-terabit al secondo, rilevamento e distanza della luce ultraveloci (LiDAR), calcolo neuromorfico, e calibrazione dello spettrometro astrofisico per la ricerca del pianeta, per citarne diversi. È uno strumento potente che normalmente richiede una potenza eccezionalmente elevata e laser costosi e un sofisticato accoppiamento ottico per funzionare.

Il principio di funzionamento di un micropettine laser, ha spiegato l'autore principale Chao Xiang, un ricercatore post-dottorato e un nuovo dottorato di ricerca. nel laboratorio di Bowers, è che un laser a feedback distribuito (DFB) produce una linea laser. Quella linea passa quindi attraverso un controllore di fase ottico ed entra nel risonatore a micro-anello, facendo aumentare l'intensità della potenza mentre la luce viaggia intorno all'anello. Se l'intensità raggiunge una certa soglia, si verificano effetti ottici non lineari, facendo in modo che una linea laser crei due ulteriori, linee identiche su entrambi i lati. Ognuna di queste due "linee laterali" ne crea altre, portando a una cascata di generazione di linee laser. "Finisci con una serie di pettini di frequenza reciprocamente coerenti, " ha detto Xiang e una capacità notevolmente ampliata di trasmettere dati.

Questa ricerca consente ai laser a semiconduttore di essere perfettamente integrati con micro-risonatori ottici non lineari a bassa perdita, "a bassa perdita" perché la luce può viaggiare nella guida d'onda senza perdere una quantità significativa della sua intensità sulla distanza. Non è richiesto alcun accoppiamento ottico, e il dispositivo è interamente controllato elettricamente. È importante sottolineare che la nuova tecnologia si presta alla produzione su scala commerciale, perché migliaia di dispositivi possono essere realizzati da un singolo wafer utilizzando tecniche compatibili con i semiconduttori a ossido di metallo complementare (CMOS) standard del settore. "Il nostro approccio apre la strada a grandi volumi, produzione a basso costo di pettini di frequenza basati su chip per ricetrasmettitori ad alta capacità di nuova generazione, Centri dati, piattaforme spaziali e mobili, " hanno affermato i ricercatori.

La sfida principale nella realizzazione del dispositivo era che il laser a semiconduttore e il risonatore, che genera il pettine, doveva essere costruito su piattaforme di materiali differenti. I laser possono essere realizzati solo con materiali dei gruppi III e V della Tavola Periodica, come il fosfuro di indio, e i migliori pettini possono essere realizzati solo con nitruro di silicio. "Così, abbiamo dovuto trovare un modo per metterli insieme su un unico wafer, " ha spiegato Xiang.

Lavorando in sequenza sullo stesso wafer, i ricercatori hanno sfruttato il processo di integrazione eterogeneo della UCSB per realizzare laser ad alte prestazioni su substrato di silicio e la capacità dei loro collaboratori dell'EPFL di realizzare micro-risonatori di nitruro di silicio ad alto Q a bassissima perdita utilizzando il "processo damasceno fotonico" che hanno sviluppato. Il processo su scala wafer, a differenza di realizzare singoli dispositivi e quindi combinarli uno per uno, consente di realizzare migliaia di dispositivi da un singolo wafer di 100 mm di diametro, un livello di produzione che può essere ulteriormente scalato rispetto al substrato standard del settore da 200 mm o 300 mm di diametro.

Affinché il dispositivo funzioni correttamente, il laser, il risonatore e la fase ottica tra di loro devono essere controllati per creare un sistema accoppiato basato sul fenomeno del "blocco dell'autoiniezione". Xiang ha spiegato che l'uscita del laser è parzialmente riflessa dal micro-risuonatore. Quando viene raggiunta una certa condizione di fase tra la luce del laser e la luce retroriflessa del risonatore, si dice che il laser è agganciato al risonatore.

Normalmente, la luce retroriflessa danneggia le prestazioni del laser, ma qui è fondamentale per generare il microcomb. La luce laser bloccata innesca la formazione di solitoni nel risonatore e riduce il rumore della luce laser, o instabilità di frequenza, allo stesso tempo. Così, qualcosa di dannoso si trasforma in beneficio. Di conseguenza, il team è stato in grado di creare non solo il primo microcomb di solitoni laser integrato su un singolo chip, ma anche le prime sorgenti laser a banda stretta con più canali disponibili su un unico chip.

"Il campo della generazione di pettini ottici è molto eccitante e si sta muovendo molto velocemente. Trova applicazioni negli orologi ottici, reti ottiche ad alta capacità e molte applicazioni spettroscopiche, " ha detto Bowers, la cattedra Fred Kavli in nanotecnologia e il direttore dell'Istituto per l'efficienza energetica del College of Engineering. "L'elemento mancante era un chip autonomo che include sia il laser a pompa che il risonatore ottico. Abbiamo dimostrato quell'elemento chiave, che dovrebbe aprire una rapida adozione di questa tecnologia."

"Penso che questo lavoro diventerà molto grande, " ha detto Xiang. Il potenziale di questa nuova tecnologia, Ha aggiunto, gli ricorda il modo in cui mettere i laser sul silicio 15 anni fa ha avanzato sia la ricerca che la commercializzazione industriale della fotonica del silicio. "Quella tecnologia trasformativa è stata commercializzata, e Intel spedisce milioni di prodotti ricetrasmettitori all'anno, ", ha affermato. "La futura fotonica al silicio che utilizza un'ottica co-confezionata sarà probabilmente un forte fattore trainante per i ricetrasmettitori di maggiore capacità che utilizzano un gran numero di canali ottici".

Xiang ha spiegato che l'attuale pettine produce da venti a trenta linee di pettine utilizzabili e che l'obiettivo in futuro sarà aumentare quel numero, "speriamo di ottenere cento linee combinate da ciascun risonatore laser, a basso consumo."

Sulla base del basso consumo energetico dei microcomb solitoni e della loro capacità di fornire un gran numero di linee di pettini ottici di elevata purezza per le comunicazioni di dati, disse Xiang, "Crediamo che il nostro risultato possa diventare la spina dorsale degli sforzi per applicare le tecnologie a pettine di frequenza ottica in molte aree, compresi gli sforzi per tenere il passo con il traffico di dati in rapida crescita e, auspicabilmente, rallentare la crescita del consumo di energia nei data center su larga scala".