A tecnologia da informação continua a progredir em um ritmo rápido. Contudo, as crescentes demandas dos data centers levaram os sistemas elétricos de entrada e saída ao seu limite físico, o que criou um gargalo. Manter esse crescimento exigirá uma mudança na forma como construímos computadores. O futuro é óptico.

Na última década, o campo da fotônica forneceu uma solução para o problema de largura de banda de chip a chip no mundo eletrônico, aumentando a distância do link entre servidores com largura de banda maior, muito menos energia, e menor latência em comparação com interconexões elétricas.

Um elemento desta revolução, fotônica de silício, foi avançado quinze anos atrás, quando a UC Santa Bárbara e a Intel demonstraram a tecnologia de laser de silício. Desde então, isso provocou uma explosão neste campo. A Intel agora está entregando milhões de transceptores fotônicos de silício para data centers em todo o mundo.

Agora, uma colaboração entre a UC Santa Barbara, Caltech, e a EPFL fizeram outra descoberta revolucionária no campo. O grupo conseguiu simplificar e condensar um sistema óptico complexo em um único chip fotônico de silício. A conquista, publicado em Natureza , reduz significativamente o custo de produção e permite fácil integração com o tradicional, produção de chips de silício.

"Toda a Internet é movida por fotônica agora, "diz John Bowers, que detém a cátedra Fred Kavli em Nanotecnologia na UC Santa Barbara, dirige o Instituto de Eficiência Energética do campus e lidera o esforço de pesquisa colaborativa.

Apesar do grande sucesso da fotônica no backbone da internet, ainda existem desafios. A explosão do tráfego de dados também significa requisitos crescentes para as taxas de dados que o chip fotônico de silício pode suportar. Até aqui, a maneira mais eficiente de atender a essa demanda é usar luzes laser multicoloridas para transmitir informações:quanto mais cores de laser, mais informações podem ser transportadas.

Mas isso representa um problema para lasers integrados, que pode gerar apenas uma cor de luz laser de cada vez. "Você pode literalmente precisar de cinquenta ou mais lasers naquele chip para esse fim, "diz Bowers. E usar cinquenta lasers é caro e ineficiente em termos de energia. Além disso, ruído e calor podem fazer com que a frequência da luz que cada laser produz flutue. Finalmente, com vários lasers, as frequências podem até derivar umas para as outras, muito parecido com as primeiras estações de rádio.

Uma solução pode ser encontrada na tecnologia de "pentes de frequência óptica", que são coleções de frequências igualmente espaçadas de luz laser. Traçar as frequências revela picos e quedas que lembram um pente de cabelo - daí o nome.

Pentes de geração usados ​​para exigir equipamentos volumosos e caros, mas agora isso pode ser gerenciado usando os recentemente surgidos pentes de frequência de soliton baseados em microrressonador, que são fontes de pente de frequência miniaturizadas construídas em chips fotônicos CMOS. Usando esta abordagem de "fotônica integrada", a equipe colaboradora desenvolveu o menor gerador de pente do mundo, que essencialmente resolve todos esses problemas.

O sistema é bastante simples, consistindo em um laser de feedback disponível comercialmente e um chip fotônico de nitreto de silício. “O que temos é uma fonte que gera todas essas cores a partir de um laser e um chip, "diz Bowers." Isso é o que é significativo sobre isso. "

A estrutura simples significa pequena escala, menos poder, e menor custo. A configuração inteira agora cabe em um pacote menor do que uma caixa de fósforos cujo preço geral e consumo de energia são menores do que os sistemas anteriores.

A nova tecnologia também é muito mais conveniente de operar. Anteriormente, gerar um pente estável foi uma tarefa complicada. Os pesquisadores teriam que ajustar a frequência e a potência exatamente para produzir um pente sólido coerente, e mesmo assim, não era garantido que o processo gerasse um pente todas as vezes. "A nova abordagem torna o processo tão fácil quanto acender uma luz ambiente, "diz Kerry Vahala, Professor de Física Aplicada e Ciência e Tecnologia da Informação na Caltech, onde o novo esquema de geração de soliton foi descoberto.

"O que é notável sobre o resultado é a total integração fotônica e reprodutibilidade com a qual os favos de frequência podem ser gerados sob demanda, "acrescenta Tobias J. Kippenberg, Professor de Física da EPFL que lidera o Laboratório de Fotônica e Medição Quântica (LPQM), e cujo laboratório observou microcombas pela primeira vez há mais de uma década.

A equipe da EPFL forneceu os chips fotônicos de nitreto de silício de ultrabaixa perda, que foram fabricados no Centro de MicroNanoTecnologia (CMi) da EPFL e servem como o principal componente para a geração de pente soliton. A tecnologia fotônica de nitreto de silício de baixa perda foi comercializada por meio da inicialização do laboratório LIGENTEC.

A "mágica" por trás de todas essas melhorias reside em um fenômeno físico interessante:quando a bomba de laser e o ressonador são integrados, sua interação forma um sistema altamente acoplado que é auto-injetado-travado e simultaneamente gera "solitons" - pulsos que circulam indefinidamente dentro do ressonador e dão origem a pentes de frequência óptica.

Espera-se que a nova tecnologia tenha um amplo impacto na fotônica. Além de atender às demandas de fontes de luz multicoloridas em produtos relacionados à comunicação, também abre muitas novas oportunidades em muitas aplicações. Um exemplo são os relógios ópticos, que fornecem o padrão de tempo mais preciso do mundo e são usados ​​em uma série de aplicações, da navegação à medição de constantes físicas.

"Os relógios ópticos costumavam ser grandes, pesado, e caro, "diz Bowers." Existem apenas alguns no mundo. Com fotônica integrada, podemos fazer algo que caberia em um relógio de pulso, e você poderia pagar. "

"Microcombs ópticas integradas de baixo ruído permitirão uma nova geração de relógios ópticos, comunicações e sensores, "diz Gordon Keeler, o gerente do projeto na Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA). "Devemos ver mais compacto, receptores GPS mais sensíveis que saem dessa abordagem. "

Contudo, o futuro parece brilhante para a fotônica. "É o passo fundamental para transferir a tecnologia de pente de frequência do laboratório para o mundo real, "diz Bowers." Isso mudará a fotônica e nossas vidas diárias. "