Informatietechnologie blijft zich in een snel tempo ontwikkelen. Echter, de groeiende eisen van datacenters hebben elektrische input-outputsystemen tot hun fysieke limiet geduwd, waardoor een knelpunt is ontstaan. Om deze groei te handhaven, is een verschuiving nodig in de manier waarop we computers bouwen. De toekomst is optisch.

Over de afgelopen tien jaar, het gebied van fotonica heeft een oplossing geboden voor het chip-to-chip bandbreedteprobleem in de elektronische wereld door de verbindingsafstand tussen servers met een hogere bandbreedte te vergroten, veel minder energie, en lagere latentie in vergelijking met elektrische verbindingen.

Een element van deze revolutie, silicium fotonica, was vijftien jaar geleden geavanceerd toen UC Santa Barbara en Intel siliciumlasertechnologie demonstreerden. Dit heeft sindsdien geleid tot een explosie van dit veld. Intel levert nu miljoenen silicium fotonische transceivers voor datacenters over de hele wereld.

Nutsvoorzieningen, een samenwerking tussen UC Santa Barbara, Caltech, en EPFL hebben opnieuw een revolutionaire ontdekking in het veld gedaan. De groep slaagde erin een complex optisch systeem te vereenvoudigen en te condenseren op een enkele silicium fotonische chip. de prestatie, gepubliceerd in Natuur , verlaagt de productiekosten aanzienlijk en zorgt voor eenvoudige integratie met traditionele, productie van siliciumchips.

"Het hele internet wordt nu aangedreven door fotonica, " zegt John Bowers, die de Fred Kavli-leerstoel in nanotechnologie bekleedt aan UC Santa Barbara en het Institute for Energy Efficiency van de campus leidt en de gezamenlijke onderzoeksinspanning leidde.

Ondanks het grote succes van fotonica in de ruggengraat van internet, er zijn nog uitdagingen. De explosie van dataverkeer betekent ook toenemende eisen aan de datasnelheden die silicium fotonische chip aankan. Tot dusver, de meest efficiënte manier om aan deze vraag te voldoen, is het gebruik van meerkleurige laserlichten om informatie te verzenden:hoe meer laserkleuren, hoe meer informatie kan worden meegenomen.

Maar dit vormt een probleem voor geïntegreerde lasers, die slechts één kleur laserlicht tegelijk kan genereren. "Daarvoor heb je misschien letterlijk vijftig of meer lasers in die chip nodig, ", zegt Bowers. En het gebruik van vijftig lasers is duur en inefficiënt qua vermogen. lawaai en hitte kunnen ervoor zorgen dat de lichtfrequentie die elke laser produceert fluctueert. Eindelijk, met meerdere lasers, de frequenties kunnen zelfs in elkaar overlopen, net zoals vroege radiostations deden.

Een oplossing kan gevonden worden in de technologie van "optische frequentiekammen", die verzamelingen zijn van op gelijke afstand van elkaar gelegen frequenties van laserlicht. Het plotten van de frequenties onthult pieken en dalen die lijken op een haarkam - vandaar de naam.

Voor het genereren van kammen was vroeger omvangrijke en dure apparatuur nodig, maar dit kan nu worden beheerd met behulp van de recent verschenen op microresonator gebaseerde solitonfrequentiekammen, dit zijn geminiaturiseerde frequentiekambronnen die zijn gebouwd op CMOS-fotonische chips. Met behulp van deze "geïntegreerde fotonica"-benadering, het samenwerkende team heeft de kleinste kamgenerator ter wereld ontwikkeld, die in wezen al deze problemen oplost.

Het systeem is vrij eenvoudig, bestaande uit een in de handel verkrijgbare feedbacklaser en een fotonische chip van siliciumnitride. "Wat we hebben is een bron die al deze kleuren genereert uit één laser en één chip, " zegt Bowers. "Dat is wat hier belangrijk aan is."

De eenvoudige structuur betekent kleinschalig, minder kracht, en lagere kosten. De hele opstelling past nu in een pakket dat kleiner is dan een luciferdoosje waarvan de totale prijs en het stroomverbruik kleiner zijn dan bij eerdere systemen.

De nieuwe technologie is ook veel gebruiksvriendelijker. Eerder, het genereren van een stabiele kam was een lastige onderneming geweest. Onderzoekers zouden de frequentie en het vermogen precies goed moeten aanpassen om een ​​coherente solitonkam te produceren. en zelfs dan, het proces was niet gegarandeerd om elke keer een kam te genereren. "De nieuwe aanpak maakt het proces net zo eenvoudig als het inschakelen van een kamerlamp, " zegt Kerry Vahala, Hoogleraar Toegepaste Natuurkunde en Informatiewetenschappen en Technologie bij Caltech, waar het nieuwe soliton-generatieschema werd ontdekt.

"Opmerkelijk aan het resultaat is de volledige fotonische integratie en reproduceerbaarheid waarmee frequentiekammen op aanvraag kunnen worden gegenereerd, " voegt Tobias J. Kippenberg toe, Professor of Physics aan EPFL die het Laboratory and Photonics and Quantum Measurement (LPQM) leidt, en wiens laboratorium meer dan tien jaar geleden voor het eerst microkammen heeft waargenomen.

Het EPFL-team heeft de ultralow-loss siliciumnitride fotonische chips geleverd, die werden vervaardigd in het EPFL Center of MicroNanoTechnology (CMi) en dienen als het belangrijkste onderdeel voor het genereren van solitonkammen. De verliesarme siliciumnitride-fotonicatechnologie is gecommercialiseerd via de lab-startup LIGENTEC.

De "magie" achter al deze verbeteringen ligt in een interessant fysiek fenomeen:wanneer de pomplaser en resonator zijn geïntegreerd, hun interactie vormt een sterk gekoppeld systeem dat zichzelf injecteert en tegelijkertijd "solitonen" genereert - pulsen die voor onbepaalde tijd in de resonator circuleren en aanleiding geven tot optische frequentiekammen.

De nieuwe technologie zal naar verwachting een grote impact hebben op de fotonica. Naast het voldoen aan de eisen van veelkleurige lichtbronnen in communicatiegerelateerde producten, het opent ook veel nieuwe mogelijkheden in veel toepassingen. Een voorbeeld zijn optische klokken, die de meest nauwkeurige tijdstandaard ter wereld bieden en in een aantal toepassingen worden gebruikt, van navigatie tot het meten van fysische constanten.

"Optische klokken waren vroeger groot, zwaar, en duur, " zegt Bowers. "Er zijn er maar een paar in de wereld. Met geïntegreerde fotonica, we kunnen iets maken dat in een polshorloge past, en je kon het betalen."

"Geïntegreerde optische microkammen met laag geluidsniveau zullen een nieuwe generatie optische klokken mogelijk maken, communicatie en sensoren, " zegt Gordon Keeler, de projectmanager bij het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). "We zouden compacter moeten zien, meer gevoelige GPS-ontvangers die uit deze benadering komen."

Globaal genomen, de toekomst ziet er rooskleurig uit voor fotonica. "Het is de belangrijkste stap om de frequentiekamtechnologie over te brengen van het laboratorium naar de echte wereld, " zegt Bowers. "Het zal de fotonica en ons dagelijks leven veranderen."