Tien jaar in de toekomst. Dat is ongeveer hoe ver UC Santa Barbara, professor in elektrotechniek en computertechniek, John Bowers en zijn onderzoeksteam, reiken met de recente ontwikkeling van hun modusvergrendelde kwantumpuntlasers op silicium. Het is technologie die niet alleen de datatransmissiecapaciteit van datacenters enorm kan vergroten, telecommunicatiebedrijven en toekomstige netwerkhardwareproducten, maar doe dit met een hoge stabiliteit, laag geluidsniveau en de energie-efficiëntie van siliciumfotonica.

"Het dataverkeer in de wereld stijgt enorm, erg snel, " zei Bowers, co-auteur van een paper over de nieuwe technologie in het tijdschrift optiek . In het algemeen, hij legde uit, de transmissie- en datacapaciteit van de modernste telecommunicatie-infrastructuur moet ongeveer elke twee jaar verdubbelen om een ​​hoog prestatieniveau te behouden. Dat betekent dat ook nu, technologiebedrijven zoals Intel en Cisco moeten hun zinnen zetten op de hardware van 2024 en daarna om concurrerend te blijven.

Betreed het hoge aantal kanalen van de Bowers Group, 20 gigahertz, passief modus-vergrendelde quantum dot laser, direct geteeld - voor de eerste keer, voor zover de groep weet - op een siliciumsubstraat. Met een bewezen transmissiecapaciteit van 4,1 terabit per seconde, het loopt naar schatting tien jaar vooruit op de huidige beste commerciële standaard voor datatransmissie, die momenteel 400 gigabit per seconde op Ethernet bereikt.

De technologie is de nieuwste hoogwaardige kandidaat in een gevestigde techniek die golflengte-verdeling-multiplexing (WDM) wordt genoemd. die talrijke parallelle signalen over een enkele optische vezel verzendt met verschillende golflengten (kleuren). Het heeft de streaming en snelle gegevensoverdracht mogelijk gemaakt waarop we zijn gaan vertrouwen voor onze communicatie, amusement en handel.

De nieuwe technologie van de Bowers Group profiteert van verschillende ontwikkelingen op het gebied van telecommunicatie, fotonica en materialen met zijn kwantumpuntlaser - een kleine, lichtbron ter grootte van een micron - die een breed scala aan lichtgolflengten kan uitzenden waarover gegevens kunnen worden verzonden.

"We willen meer coherente golflengten gegenereerd in één goedkope lichtbron, " zei Songtao Liu, een postdoctoraal onderzoeker in de Bowers Group en hoofdauteur van het artikel. "Quantum dots kunnen u een breed versterkingsspectrum bieden, en daarom kunnen we veel kanalen bereiken." Hun quantum dot laser produceert 64 kanalen, gespreid op 20 GHz, en kan worden gebruikt als zender om de systeemcapaciteit te vergroten.

De laser is passief 'mode-locked' - een techniek die coherente optische 'kammen' genereert met vaste kanaalafstand - om ruis van golflengteconcurrentie in de laserholte te voorkomen en de gegevensoverdracht te stabiliseren.

Deze technologie betekent een aanzienlijke vooruitgang op het gebied van elektronische en fotonische geïntegreerde schakelingen van silicium, waarin het primaire doel is om componenten te maken die licht (fotonen) en golfgeleiders gebruiken - ongeëvenaard voor datacapaciteit en transmissiesnelheid evenals energie-efficiëntie - naast en zelfs in plaats van elektronen en draden. Silicium is een goed materiaal voor de kwaliteit van het licht dat het kan leiden en behouden, en voor het gemak en de lage kosten van de grootschalige productie. Echter, het is niet zo goed voor het genereren van licht.

"Als je efficiënt licht wilt genereren, u wilt een halfgeleider met directe bandgap, " zei Liu, verwijzend naar de ideale elektronische structurele eigenschap voor lichtemitterende vaste stoffen. "Silicium is een indirecte bandgap-halfgeleider." De kwantumpuntlaser van de Bowers Group, molecuul voor molecuul gekweekt op silicium in de nanofabricagefaciliteiten van UC Santa Barbara, is een structuur die profiteert van de elektronische eigenschappen van verschillende halfgeleidermaterialen voor prestaties en functie (inclusief hun directe bandhiaten), naast de bekende optische en fabricagevoordelen van silicium.

Deze kwantumpuntlaser, en componenten zoals het, zullen naar verwachting de norm worden in telecommunicatie en gegevensverwerking, terwijl technologiebedrijven manieren zoeken om hun datacapaciteit en transmissiesnelheden te verbeteren.

"Datacentra kopen nu grote hoeveelheden silicium fotonische transceivers, ' merkte Bowers op. 'En het is twee jaar geleden uit het niets gegaan.'

Sinds Bowers tien jaar geleden 's werelds eerste hybride siliciumlaser demonstreerde (een poging in samenwerking met Intel), de wereld van siliciumfotonica is doorgegaan met het creëren van een hogere efficiëntie, technologie met hogere prestaties en een zo klein mogelijke voetafdruk, met het oog op massaproductie. De quantum dot laser op silicium, Bowers en Liu zeggen, is state-of-the-art technologie die de superieure prestaties levert die voor toekomstige apparaten worden gezocht.

"We schieten ver daarbuiten, " zei Bowers, die de Fred Kavli-leerstoel in nanotechnologie bekleedt, "dat is wat universitair onderzoek zou moeten doen."