Hace quince años, el profesor de materiales y electricidad de UC Santa Bárbara, 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 alambre de cobre que antesservidores vinculados en los centros de datos, lo que aumenta drásticamente la eficiencia energética, un esfuerzo importante en un momento en que el tráfico de datos crece aproximadamente un 25% por año
Durante varios años, el grupo Bowers ha colaborado con el grupo de Tobias J. Kippenberg en el Instituto Federal Suizo de Tecnología EPFL, dentro de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa DARPA Direct On-Chip Digital Optical Synthesizer DODOSEl grupo de Kippenberg descubrió los "micropeines", una serie de líneas láser paralelas, de bajo ruido y altamente estables. Cada una de las muchas líneas del peine láser puede transportar información, multiplicando ampliamente la cantidad de datos que se pueden enviar por una solaláser.
Recientemente, varios equipos demostraron peines muy compactos colocando un chip láser semiconductor y un chip resonador de anillo de nitruro de silicio separados muy juntos. Sin embargo, el láser y el resonador seguían siendo dispositivos separados, fabricados de forma independiente y luego colocados muy cerca deentre sí 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 resonador y un láser semiconductor integrado en chip capaz de producir un microcombustible láser. Un artículo titulado "Micropenales de solitón láser heterogéneamente integrados en silicio", publicado en la nueva edición de la revista ciencia 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 fase constante e invariable entre sí. La tecnología se aplica en las áreas de sincronización óptica, metrología y detección. Demostraciones de campo recientesIncluyen 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 y costosos láseres yacoplamiento óptico sofisticado para funcionar.
El principio de funcionamiento de un microcombustible láser, explicó el autor principal, Chao Xiang, investigador postdoctoral y recién creado 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 unacontrolador de fase óptica y entra en el resonador de micro-anillo, lo que hace que la intensidad de la potencia aumente a medida que la luz viaja alrededor del anillo. Si la intensidad alcanza un cierto umbral, se producen efectos ópticos no lineales, lo que hace que una línea láser cree dos adicionales,líneas idénticas a cada lado. Cada una de esas dos "líneas laterales" crea otras, lo que lleva a una cascada de generación de líneas láser. "Terminas con una serie de peines de frecuencia mutuamente coherentes", dijo Xiang, y una capacidad enormemente expandidapara transmitir datos.
Esta investigación permite que los láseres semiconductores se integren a la perfección 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 hay acoplamiento ópticorequerido, y el dispositivo está completamente controlado eléctricamente. Es importante destacar que la nueva tecnología se presta a la producción a escala comercial, porque miles de dispositivos se pueden fabricar a partir de una sola oblea utilizando técnicas compatibles con semiconductores de óxido metálico complementario CMOS estándar de la industria ".Este enfoque allana el camino para la fabricación de gran volumen y bajo costo de peines de frecuencia basados en chips para transceptores de alta capacidad de próxima generación, centros de datos, plataformas espaciales y móviles ", afirmaron los investigadores.
El desafío clave en la fabricación del dispositivo fue que el láser semiconductor y el resonador, que genera el peine, tenían que construirse en 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 proceso de integración heterogéneo de UCSB para fabricar láseres de alto rendimiento en sustrato de silicio y la capacidad de sus colaboradores de EPFL para hacer microrresonadores de nitruro de silicio de alta Q de pérdida ultrabaja récord 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 producciónque 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 láser, 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 la parte posterior.por el microrresonador. Cuando se alcanza una determinada condición de fase entre la luz del láser y la luz reflejada por el fondo del 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 la inestabilidad de frecuencia, al mismo tiempo. Por lo tanto,algo dañino se transforma en un beneficio. Como resultado, el equipo pudo crear no solo el primer microcombustible de solitón láser integrado en un solo chip, sino 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 emocionante y avanza muy rápido. Está encontrando aplicaciones en relojes ópticos, redes ópticas de alta capacidad y muchas aplicaciones espectroscópicas", dijo Bowers, presidente de Fred Kavli en nanotecnología y director de laInstituto de Eficiencia Energética de la Facultad de Ingeniería. "El elemento que faltaba era un chip autónomo que incluye tanto el láser de bombeo como el resonador óptico. Demostramos ese elemento clave, que debería dar lugar a una rápida adopción de esta tecnología".
"Creo que este trabajo va a ser muy grande", dijo Xiang. El potencial de esta nueva tecnología, agregó, le recuerda la forma en que colocar láseres en silicio hace 15 años avanzó tanto en la investigación como en la comercialización industrial de la fotónica de 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 de los transceptores de mayor capacidad que utilizan 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 uso 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 el peine de frecuencia ópticatecnologías en muchas áreas, incluidos los esfuerzos para mantenerse al día con el tráfico de datos de rápido crecimiento y, con suerte, ralentizar el crecimiento del consumo de energía en los centros de datos a gran escala ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Santa Bárbara . Original escrito por ??? James Badham. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :