Os solitons ópticos são pacotes de ondas especiais que se propagam sem alterar sua forma. Em comunicações ópticas, solitons podem ser usados ​​para gerar pentes de frequência com várias linhas espectrais, que permitem realizar sistemas de comunicação ótica de alta capacidade particularmente eficientes e compactos. Isso foi demonstrado recentemente por pesquisadores do Instituto de Fotônica e Eletrônica Quântica do KIT (IPQ) e do Instituto de Tecnologia de Microestrutura (IMT), juntamente com pesquisadores do Laboratório de Fotônica e Medições Quânticas da EPFL (LPQM).

Conforme relatado em Natureza , os pesquisadores usaram microrressonadores de nitreto de silício que podem ser facilmente integrados em sistemas de comunicação compactos. Dentro desses ressonadores, solitons circulam continuamente, gerando assim combs de frequência óptica de banda larga. Tais pentes de frequência, pelo qual John Hall e Theodor W. Hänsch receberam o Prêmio Nobel de Física em 2005, consistem em uma infinidade de linhas espectrais, que estão alinhados em uma grade equidistante regular. Tradicionalmente, os combs de frequência servem como referências ópticas de alta precisão para medição de frequências. Os chamados combs de frequência Kerr apresentam larguras de banda óticas grandes, juntamente com espaçamentos de linha bastante grandes, e são particularmente adequados para transmissão de dados. Cada linha espectral individual pode ser usada para transmitir um canal de dados separado.

Em seus experimentos, os pesquisadores de Karlsruhe e Lausanne usaram dois pentes de frequência intercalados para transmitir dados em 179 portadoras ópticas individuais, que cobrem completamente as bandas C e L de telecomunicações ópticas e permitem a transmissão de dados a uma taxa de 55 terabits por segundo em uma distância de 75 quilômetros. "Isso é equivalente a mais de cinco bilhões de chamadas telefônicas ou mais de dois milhões de canais de TV HD. É a maior taxa de dados já alcançada usando uma fonte de pente de frequência em formato de chip, "explica Christian Koos, professor do IPQ e IMT do KIT e recebedor de uma bolsa para pesquisador independente do Conselho Europeu de Pesquisa (ERC) por sua pesquisa sobre pentes de frequência óptica.

Os componentes têm o potencial de reduzir drasticamente o consumo de energia da fonte de luz em sistemas de comunicação. A base do trabalho dos pesquisadores são microrressonadores ópticos de nitreto de silício de baixa perda. Nesses, o estado soliton descrito foi gerado pela primeira vez pelo grupo de trabalho em torno do Professor Tobias Kippenberg na EPFL em 2014. Explicando as vantagens da abordagem, Professor Kippenberg diz, "Nossas fontes soliton comb são ideais para transmissão de dados e podem ser produzidas em grandes quantidades a baixo custo em microchips compactos." O soliton se forma através dos chamados processos ópticos não lineares que ocorrem devido à alta intensidade do campo de luz no microrressonador. O microrressonador só é bombeado através de um laser de onda contínua a partir do qual, por meio do soliton, centenas de novas linhas de laser equidistantes são geradas. As fontes de pente estão atualmente sendo postas em prática por um spin-off da EPFL.

O trabalho publicado em Natureza mostra que fontes de pente de frequência de soliton microrressonador podem aumentar consideravelmente o desempenho de técnicas de multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) em comunicações ópticas. WDM permite transmitir taxas de dados ultra-altas usando uma infinidade de canais de dados independentes em um único guia de onda óptico. Para este fim, a informação é codificada em luz laser de diferentes comprimentos de onda. Para comunicações coerentes, fontes de pente de frequência de soliton microrressonador podem ser usadas não apenas no transmissor, mas também no lado do receptor dos sistemas WDM. As fontes de pente aumentam drasticamente a escalabilidade dos respectivos sistemas e permitem a transmissão de dados coerentes e altamente paralelos com a luz. De acordo com Christian Koos, este é um passo importante em direção a transceptores em escala de chip altamente eficientes para futuras redes de petabit.