La tecnología de la información sigue avanzando a un ritmo vertiginoso. Sin embargo, las crecientes demandas de los centros de datos han llevado los sistemas eléctricos de entrada y salida a su límite físico, lo que ha creado un cuello de botella. Mantener este crecimiento requerirá un cambio en la forma en que construimos computadoras. El futuro es óptico.

Durante la ultima decada, el campo de la fotónica ha proporcionado una solución al problema del ancho de banda de chip a chip en el mundo electrónico al aumentar la distancia de enlace entre servidores con mayor ancho de banda, mucha menos energía, y menor latencia en comparación con las interconexiones eléctricas.

Un elemento de esta revolución, fotónica de silicio, fue avanzado hace quince años cuando UC Santa Barbara e Intel demostraron la tecnología láser de silicio. Desde entonces, esto ha provocado una explosión de este campo. Intel ofrece ahora millones de transceptores fotónicos de silicio para centros de datos de todo el mundo.

Ahora, una colaboración entre UC Santa Barbara, Caltech, y EPFL han hecho otro descubrimiento revolucionario en el campo. El grupo logró simplificar y condensar un sistema óptico complejo en un solo chip fotónico de silicio. El logro, publicado en Naturaleza , reduce significativamente el costo de producción y permite una fácil integración con los tradicionales, producción de chips de silicio.

"Toda Internet está impulsada por la fotónica ahora, "dice John Bowers, quien tiene la Cátedra Fred Kavli en Nanotecnología en UC Santa Bárbara y dirige el Instituto de Eficiencia Energética del campus y dirigió el esfuerzo de investigación colaborativa.

A pesar del gran éxito de la fotónica en la columna vertebral de Internet, todavía hay desafíos. La explosión del tráfico de datos también significa requisitos crecientes para las velocidades de datos que puede manejar el chip fotónico de silicio. Hasta aquí, La forma más eficiente de abordar esta demanda es utilizar luces láser multicolores para transmitir información:cuantos más colores láser, cuanta más información se pueda llevar.

Pero esto plantea un problema para los láseres integrados, que puede generar solo un color de luz láser a la vez. "Es posible que, literalmente, necesite cincuenta o más láseres en ese chip para ese propósito, "dice Bowers. Y usar cincuenta láseres es caro e ineficiente en términos de potencia. Además, el ruido y el calor pueden hacer que la frecuencia de la luz que produce cada láser fluctúe. Finalmente, con múltiples láseres, las frecuencias incluso pueden derivar entre sí, al igual que lo hacían las primeras estaciones de radio.

Se puede encontrar una solución en la tecnología de "peines de frecuencia óptica", que son colecciones de frecuencias de luz láser igualmente espaciadas. Trazar las frecuencias revela picos y caídas que se asemejan a un peine, de ahí el nombre.

Generación de peines que solían requerir equipos voluminosos y costosos, pero esto ahora se puede manejar usando los peines de frecuencia de solitones basados ​​en microrresonadores recientemente surgidos, que son fuentes de peine de frecuencia miniaturizadas construidas sobre chips fotónicos CMOS. Usando este enfoque de "fotónica integrada", el equipo colaborador ha desarrollado el generador de peine más pequeño del mundo, que esencialmente resuelve todos estos problemas.

El sistema es bastante simple, que consiste en un láser de retroalimentación disponible comercialmente y un chip fotónico de nitruro de silicio. "Lo que tenemos es una fuente que genera todos estos colores a partir de un láser y un chip, "dice Bowers." Eso es lo significativo de esto ".

La estructura simple significa pequeña escala, menos poder, y menor costo. La configuración completa ahora cabe en un paquete más pequeño que una caja de fósforos cuyo precio total y consumo de energía son menores que los de los sistemas anteriores.

La nueva tecnología también es mucho más conveniente de operar. Previamente, generar un peine estable había sido una tarea complicada. Los investigadores tendrían que ajustar la frecuencia y la potencia a la perfección para producir un peine solitón coherente, y aún entonces, no se garantizaba que el proceso generara un peine cada vez. "El nuevo enfoque hace que el proceso sea tan fácil como encender la luz de una habitación, "dice Kerry Vahala, Profesor de Física Aplicada y Ciencia y Tecnología de la Información en Caltech, donde se descubrió el nuevo esquema de generación de solitones.

"Lo notable del resultado es la integración fotónica completa y la reproducibilidad con la que se pueden generar peines de frecuencia bajo demanda, "añade Tobias J. Kippenberg, Profesor de Física en EPFL que dirige el Laboratorio y Fotónica y Medición Cuántica (LPQM), y cuyo laboratorio observó por primera vez microcombustibles hace más de una década.

El equipo de EPFL ha proporcionado los chips fotónicos de nitruro de silicio de pérdida ultrabaja, que fueron fabricados en EPFL Center of MicroNanoTechnology (CMi) y sirven como el componente clave para la generación de peines de solitones. La tecnología fotónica de nitruro de silicio de baja pérdida se ha comercializado a través de la puesta en marcha del laboratorio LIGENTEC.

La "magia" detrás de todas estas mejoras radica en un fenómeno físico interesante:cuando la bomba láser y el resonador están integrados, su interacción forma un sistema altamente acoplado que se autoinyecta y bloquea y simultáneamente genera "solitones", pulsos que circulan indefinidamente dentro del resonador y dan lugar a peines de frecuencia óptica.

Se espera que la nueva tecnología tenga un gran impacto en la fotónica. Además de abordar las demandas de las fuentes de luz multicolor en productos relacionados con la comunicación, también abre muchas oportunidades nuevas en muchas aplicaciones. Un ejemplo son los relojes ópticos, que proporcionan el estándar de tiempo más preciso del mundo y se utilizan en una serie de aplicaciones, desde la navegación hasta la medición de constantes físicas.

"Los relojes ópticos solían ser grandes, pesado, y caro, "dice Bowers." Hay sólo unos pocos en el mundo. Con fotónica integrada, podemos hacer algo que quepa en un reloj de pulsera, y podría pagarlo ".

"Los micro peines ópticos integrados de bajo ruido permitirán una nueva generación de relojes ópticos, comunicaciones y sensores, "dice Gordon Keeler, director del proyecto en la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA). "Deberíamos ver más compactos, receptores GPS más sensibles que salen de este enfoque ".

Considerándolo todo, el futuro parece prometedor para la fotónica. "Es el paso clave para transferir la tecnología de peine de frecuencia del laboratorio al mundo real, ", dice Bowers." Cambiará la fotónica y nuestra vida diaria ".