Hace quince años, El profesor de materiales y electricidad de UC Santa Barbara, John Bowers, fue pionero en un método para integrar un láser en una oblea de silicio. Desde entonces, la tecnología se ha implementado ampliamente en combinación con otros dispositivos fotónicos de silicio para reemplazar las interconexiones de cables de cobre que antes vinculaban los servidores en los centros de datos. aumentar drásticamente la eficiencia energética, un esfuerzo importante en un momento en el que el tráfico de datos crece aproximadamente un 25% por año.

Por muchos años, el grupo Bowers ha colaborado con el grupo de Tobias J. Kippenberg en el Instituto Federal Suizo de Tecnología (EPFL), dentro del programa de sintetizador óptico digital directo en chip (DODOS) de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA). El grupo Kippenberg descubrió "micropenales, "una serie de paralelos, ruido bajo, líneas láser altamente estables. Cada una de las muchas líneas del peine láser puede llevar información, multiplicando ampliamente la cantidad de datos que puede enviar un solo láser.

Recientemente, varios equipos demostraron peines muy compactos colocando un chip láser semiconductor y un chip resonador de anillo de nitruro de silicio separado muy juntos. Sin embargo, el láser y el resonador seguían siendo dispositivos separados, hechos de forma independiente y luego colocados muy cerca unos de otros perfectamente alineados, un proceso costoso y lento que no es escalable.

El laboratorio de Bowers ha trabajado con el laboratorio de Kippenberg para desarrollar un láser semiconductor integrado en chip y un resonador capaz de producir un microcombustible láser. Un artículo titulado "Micropenales de solitones láser integrados heterogéneamente en silicio, "publicado en el nuevo número de la revista Ciencias , describe el éxito de los laboratorios al convertirse en los primeros en lograr ese objetivo.

Los micropenales Soliton son peines de frecuencia óptica que emiten líneas láser coherentes entre sí, es decir, líneas que están en constante, fase inmutable entre sí. La tecnología se aplica en las áreas de sincronización óptica, metrología y detección. Las demostraciones de campo recientes incluyen comunicaciones ópticas de varios terabit por segundo, detección de luz ultrarrápida y rango (LiDAR), computación neuromórfica, y calibración de espectrómetro astrofísico para la búsqueda de planetas, por nombrar varios. Es una herramienta poderosa que normalmente requiere una potencia excepcionalmente alta, láseres costosos y un sofisticado acoplamiento óptico para funcionar.

El principio de funcionamiento de un microcombustible láser, explicó el autor principal Chao Xiang, investigador postdoctoral y Ph.D. en el laboratorio de Bowers, es que un láser de retroalimentación distribuida (DFB) produce una línea láser. Esa línea luego pasa a través de un controlador de fase óptico y entra en el resonador de micro-anillo, haciendo que la intensidad de la energía aumente a medida que la luz viaja alrededor del anillo. Si la intensidad alcanza un cierto umbral, se producen efectos ópticos no lineales, haciendo que una línea láser cree dos adicionales, líneas idénticas a ambos lados. Cada una de esas dos "líneas laterales" crea otras, conduciendo a una cascada de generación de líneas láser. "Terminas con una serie de peines de frecuencia coherentes entre sí, ", Dijo Xiang, y una capacidad enormemente ampliada para transmitir datos.

Esta investigación permite que los láseres semiconductores se integren sin problemas con micro-resonadores ópticos no lineales de baja pérdida, "baja pérdida" porque la luz puede viajar en la guía de ondas sin perder una cantidad significativa de su intensidad a lo largo de la distancia. No se requiere acoplamiento óptico, y el dispositivo está completamente controlado eléctricamente. En tono rimbombante, la nueva tecnología se presta a la producción a escala comercial, porque se pueden fabricar miles de dispositivos a partir de una sola oblea utilizando técnicas compatibles con semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS) estándar de la industria. "Nuestro enfoque allana el camino para grandes volúmenes, fabricación a bajo costo de peines de frecuencia basados ​​en chips para transceptores de alta capacidad de próxima generación, centros de datos, plataformas espaciales y móviles, "declararon los investigadores.

El desafío clave en la fabricación del dispositivo fue que el láser semiconductor y el resonador, que genera el peine, tuvo que construirse sobre diferentes plataformas de materiales. Los láseres solo se pueden fabricar con materiales de los grupos III y V de la tabla periódica, como el fosfuro de indio, y los mejores peines solo se pueden hacer con nitruro de silicio. "Entonces, tuvimos que encontrar una manera de juntarlos en una sola oblea, "Explicó Xiang.

Trabajando secuencialmente en la misma oblea, Los investigadores aprovecharon el heterogéneo proceso de integración de UCSB para fabricar láseres de alto rendimiento sobre sustrato de silicio y la capacidad de sus colaboradores de EPFL para crear microrresonadores de nitruro de silicio de alta Q de pérdida ultrabaja utilizando el "proceso de damasquinado fotónico" que desarrollaron. El proceso a escala de obleas, en contraste con la fabricación de dispositivos individuales y luego combinarlos uno por uno, permite fabricar miles de dispositivos a partir de una sola oblea de 100 mm de diámetro. un nivel de producción que se puede ampliar más allá del sustrato estándar de la industria de 200 mm o 300 mm de diámetro.

Para que el dispositivo funcione correctamente, el laser, el resonador y la fase óptica entre ellos deben controlarse para crear un sistema acoplado basado en el fenómeno de "bloqueo de autoinyección". Xiang explicó que la salida del láser se refleja parcialmente en el micro-resonador. Cuando se alcanza una cierta condición de fase entre la luz del láser y la luz reflejada desde el resonador, se dice que el láser está bloqueado en el resonador.

Normalmente, la luz reflejada daña el rendimiento del láser, pero aquí es crucial para generar el microcombustible. La luz láser bloqueada desencadena la formación de solitones en el resonador y reduce el ruido de la luz láser, o inestabilidad de frecuencia, al mismo tiempo. Por lo tanto, algo dañino se transforma en beneficio. Como resultado, el equipo fue capaz de crear no solo el primer microcombustible de solitón láser integrado en un solo chip, pero también las primeras fuentes láser de ancho de línea estrecho con múltiples canales disponibles en un chip.

"El campo de la generación de peines ópticos es muy interesante y se mueve muy rápido. Está encontrando aplicaciones en relojes ópticos, redes ópticas de alta capacidad y muchas aplicaciones espectroscópicas, "dijo Bowers, la Cátedra Fred Kavli de Nanotecnología y el director del Instituto de Eficiencia Energética de la Facultad de Ingeniería. "El elemento que faltaba ha sido un chip autónomo que incluye tanto el láser de bombeo como el resonador óptico. Demostramos ese elemento clave, lo que debería permitir una rápida adopción de esta tecnología ".

"Creo que este trabajo será muy importante, ", dijo Xiang. El potencial de esta nueva tecnología, él agregó, le recuerda la forma en que poner láseres en silicio hace 15 años avanzó tanto en la investigación como en la comercialización industrial de la fotónica del silicio. "Esa tecnología transformadora se ha comercializado, e Intel envía millones de productos transceptores al año, ", dijo." La fotónica de silicio futura que utilice ópticas empaquetadas probablemente será un fuerte impulsor para transceptores de mayor capacidad que utilicen una gran cantidad de canales ópticos ".

Xiang explicó que el peine actual produce entre veinte y treinta líneas de peine utilizables y que el objetivo en el futuro será aumentar ese número, "con suerte para obtener cien líneas combinadas de cada resonador láser, con bajo consumo de energía ".

Basado en el bajo consumo de energía de los microcombs soliton y su capacidad para proporcionar una gran cantidad de líneas de peine óptico de alta pureza para comunicaciones de datos, dijo Xiang, "Creemos que nuestro logro podría convertirse en la columna vertebral de los esfuerzos para aplicar tecnologías de peine de frecuencia óptica en muchas áreas, incluidos los esfuerzos para mantenerse al día con el tráfico de datos de rápido crecimiento y, Ojalá, frenar el crecimiento del consumo de energía en los centros de datos a gran escala ".