Vijftien jaar geleden, John Bowers, hoogleraar elektriciteit en materialen aan de UC Santa Barbara, pionierde met een methode voor het integreren van een laser op een siliciumwafel. De technologie is sindsdien op grote schaal toegepast in combinatie met andere silicium-fotonica-apparaten om de koperdraadverbindingen te vervangen die voorheen servers in datacenters met elkaar verbond. drastische verhoging van de energie-efficiëntie - een belangrijke onderneming in een tijd waarin het dataverkeer met ongeveer 25% per jaar groeit.

Voor meerdere jaren, de Bowers-groep heeft samengewerkt met de groep van Tobias J. Kippenberg aan het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie (EPFL), binnen het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) Direct On-Chip Digital Optical Synthesizer (DODOS) programma. De Kippenberg-groep ontdekte "microkammen, "een reeks parallelle, geluidsarm, zeer stabiele laserlijnen. Elk van de vele lijnen van de laserkam kan informatie bevatten, de hoeveelheid gegevens die door een enkele laser kan worden verzonden, aanzienlijk vermenigvuldigen.

Onlangs, verschillende teams demonstreerden zeer compacte kammen door een halfgeleiderlaserchip en een afzonderlijke siliciumnitride ring-resonatorchip zeer dicht bij elkaar te plaatsen. Echter, de laser en de resonator waren nog steeds aparte apparaten, onafhankelijk gemaakt en vervolgens perfect uitgelijnd dicht bij elkaar geplaatst, een kostbaar en tijdrovend proces dat niet schaalbaar is.

Het Bowers-lab heeft samengewerkt met het Kippenberg-lab om een ​​geïntegreerde on-chip halfgeleiderlaser en resonator te ontwikkelen die een lasermicrokam kan produceren. Een paper getiteld "Laser soliton microcombs heterogeen geïntegreerd op silicium, " gepubliceerd in het nieuwe nummer van het tijdschrift Wetenschap , beschrijft het succes van de laboratoria om als eerste dat doel te bereiken.

Soliton-microkammen zijn optische frequentiekammen die onderling coherente laserlijnen uitzenden, dat wil zeggen, lijnen die constant zijn, onveranderlijke fase ten opzichte van elkaar. De technologie wordt toegepast op het gebied van optische timing, metrologie en detectie. Recente velddemonstraties omvatten optische communicatie van meerdere terabit per seconde, ultrasnelle lichtdetectie en -bereik (LiDAR), neuromorfe informatica, en kalibratie van astrofysische spectrometers voor het zoeken naar planeten, om er meerdere te noemen. Het is een krachtig hulpmiddel dat normaal gesproken uitzonderlijk hoog vermogen en dure lasers en geavanceerde optische koppeling vereist om te kunnen functioneren.

Het werkingsprincipe van een lasermicrokam, verklaarde hoofdauteur Chao Xiang, een postdoctoraal onderzoeker en nieuw geslagen Ph.D. in het laboratorium van Bowers, is dat een laser met gedistribueerde feedback (DFB) één laserlijn produceert. Die lijn gaat dan door een optische faseregelaar en gaat de microringresonator binnen, waardoor de stroomintensiteit toeneemt naarmate het licht door de ring reist. Als de intensiteit een bepaalde drempel bereikt, er treden niet-lineaire optische effecten op, waardoor de ene laserlijn twee extra, aan weerszijden identieke lijnen. Elk van die twee "zijlijnen" creëert andere, wat leidt tot een cascade van laserlijngeneratie. "Je krijgt een reeks onderling coherente frequentiekammen, " zei Xiang - en een enorm uitgebreid vermogen om gegevens te verzenden.

Dankzij dit onderzoek kunnen halfgeleiderlasers naadloos worden geïntegreerd met verliesarme niet-lineaire optische microresonatoren - "low-loss" omdat het licht in de golfgeleider kan reizen zonder een significante hoeveelheid van zijn intensiteit over afstand te verliezen. Geen optische koppeling nodig, en het apparaat wordt volledig elektrisch bestuurd. belangrijk, de nieuwe technologie leent zich voor productie op commerciële schaal, omdat duizenden apparaten kunnen worden gemaakt van een enkele wafer met behulp van industriestandaard complementaire metaaloxidehalfgeleider (CMOS)-compatibele technieken. "Onze aanpak maakt de weg vrij voor grootschalige, goedkope productie van op chips gebaseerde frequentiekammen voor de volgende generatie transceivers met hoge capaciteit, datacenters, ruimte en mobiele platforms, ', stellen de onderzoekers.

De belangrijkste uitdaging bij het maken van het apparaat was dat de halfgeleiderlaser en de resonator, die de kam genereert, moest worden gebouwd op verschillende materiële platforms. De lasers kunnen alleen worden gemaakt met materialen uit de III- en V-groepen op het periodiek systeem, zoals indiumfosfide, en de beste kammen kunnen alleen gemaakt worden van siliciumnitride. "Dus, we moesten een manier vinden om ze samen te voegen op een enkele wafel, ' legde Xiang uit.

Opeenvolgend werken op dezelfde wafer, de onderzoekers maakten gebruik van het heterogene integratieproces van UCSB voor het maken van hoogwaardige lasers op siliciumsubstraat en het vermogen van hun EPFL-medewerkers om ultra-low-loss high-Q siliciumnitride-microresonatoren te maken met behulp van het "fotonische damasceenproces" dat ze ontwikkelden. Het proces op wafelschaal maakt het mogelijk om duizenden apparaten te maken van een enkele wafel met een diameter van 100 mm, in tegenstelling tot het maken van afzonderlijke apparaten en ze vervolgens één voor één te combineren. een productieniveau dat verder kan worden opgeschaald ten opzichte van het industriestandaard substraat met een diameter van 200 mm of 300 mm.

Om het apparaat goed te laten functioneren, de laser, de resonator en de optische fase daartussen moeten worden gecontroleerd om een ​​gekoppeld systeem te creëren op basis van het fenomeen "zelfinjectievergrendeling". Xiang legde uit dat de laseroutput gedeeltelijk wordt teruggekaatst door de microresonator. Wanneer een bepaalde faseconditie wordt bereikt tussen het licht van de laser en het teruggekaatste licht van de resonator, er wordt gezegd dat de laser op de resonator is vergrendeld.

Normaal gesproken, teruggereflecteerd licht schaadt de laserprestaties, maar hier is het cruciaal voor het genereren van de microkam. Het vergrendelde laserlicht veroorzaakt solitonvorming in de resonator en vermindert de laserlichtruis, of frequentie-instabiliteit, tegelijkertijd. Dus, iets schadelijks wordt omgezet in een voordeel. Als resultaat, het team was niet alleen in staat om de eerste laser-soliton-microkam te maken die op een enkele chip was geïntegreerd, maar ook de eerste laserbronnen met smalle lijnbreedte met meerdere beschikbare kanalen op één chip.

"Het gebied van het genereren van optische kammen is erg opwindend en gaat erg snel. Het vindt toepassingen in optische klokken, optische netwerken met hoge capaciteit en vele spectroscopische toepassingen, " zei Bowers, de Fred Kavli-leerstoel in nanotechnologie en de directeur van het College of Engineering's Institute for Energy Efficiency. "Het ontbrekende element was een op zichzelf staande chip die zowel de pomplaser als de optische resonator bevat. We hebben dat sleutelelement aangetoond, wat een snelle acceptatie van deze technologie mogelijk moet maken."

"Ik denk dat dit werk heel groot gaat worden, " zei Xiang. Het potentieel van deze nieuwe technologie, hij voegde toe, herinnert hem aan de manier waarop 15 jaar geleden lasers op silicium plaatsten, zowel in onderzoek als in industriële commercialisering van siliciumfotonica. "Die transformatieve technologie is gecommercialiseerd, en Intel verzendt miljoenen transceiverproducten per jaar, "Hij zei. "Toekomstige siliciumfotonica die co-packaged optica gebruikt, zal waarschijnlijk een sterke driver zijn voor transceivers met een hogere capaciteit die een groot aantal optische kanalen gebruiken."

Xiang legde uit dat de huidige kam ongeveer twintig tot dertig bruikbare kamlijnen produceert en dat het doel in de toekomst zal zijn om dat aantal te vergroten, "hopelijk om honderd gecombineerde lijnen van elke laserresonator te krijgen, met een laag stroomverbruik."

Gebaseerd op het lage energieverbruik van de soliton-microkammen en hun vermogen om een ​​groot aantal zeer zuivere optische kamlijnen te leveren voor datacommunicatie, zei Xiang, "Wij geloven dat onze prestatie de ruggengraat zou kunnen worden van inspanningen om optische frequentiekamtechnologieën op veel gebieden toe te passen, inclusief inspanningen om het snelgroeiende dataverkeer bij te houden en, Hopelijk, de groei van het energieverbruik in mega-datacenters vertragen."