Quinze anos atrás, O professor de eletricidade e materiais da UC Santa Bárbara, John Bowers, foi o pioneiro em um método para integrar um laser a um wafer de silício. Desde então, a tecnologia foi amplamente implantada em combinação com outros dispositivos fotônicos de silício para substituir as interconexões de fio de cobre que antes conectavam servidores em data centers, aumentando drasticamente a eficiência energética - um esforço importante em um momento em que o tráfego de dados está crescendo cerca de 25% ao ano.

Por muitos anos, o grupo Bowers colaborou com o grupo de Tobias J. Kippenberg no Instituto Federal Suíço de Tecnologia (EPFL), dentro do programa de Sintetizador Óptico Digital Direto On-Chip (DODOS) da Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). O grupo Kippenberg descobriu "microcombs, "uma série de paralelos, barulho baixo, linhas de laser altamente estáveis. Cada uma das muitas linhas do pente a laser pode transportar informações, multiplicando amplamente a quantidade de dados que podem ser enviados por um único laser.

Recentemente, várias equipes demonstraram pentes muito compactos, colocando um chip de laser semicondutor e um chip ressonador de anel de nitreto de silício separados muito próximos. Contudo, o laser e o ressonador ainda eram dispositivos separados, feitos de forma independente e, em seguida, colocados em estreita proximidade uns com os outros perfeitamente alinhados, um processo caro e demorado que não é escalonável.

O laboratório Bowers trabalhou com o laboratório Kippenberg para desenvolver um laser semicondutor integrado no chip e um ressonador capaz de produzir uma microcombina a laser. Um artigo intitulado "Laser soliton microcombs heterogenously Integrated on silicon, "publicado na nova edição da revista Ciência , descreve o sucesso dos laboratórios em se tornarem os primeiros a atingir esse objetivo.

As microcombas Soliton são pentes de frequência óptica que emitem linhas de laser mutuamente coerentes, isto é, linhas que estão em constante, fase imutável em relação uma à outra. A tecnologia é aplicada nas áreas de temporização óptica, metrologia e sensoriamento. Demonstrações de campo recentes incluem comunicações ópticas multi-terabit por segundo, detecção e alcance de luz ultrarrápida (LiDAR), computação neuromórfica, e calibração de espectrômetro astrofísico para busca de planetas, para citar vários. É uma ferramenta poderosa que normalmente requer uma potência excepcionalmente alta, lasers caros e acoplamento óptico sofisticado para funcionar.

O princípio de funcionamento de uma microcomba a laser, explicou o autor principal Chao Xiang, um pesquisador de pós-doutorado e recém-formado Ph.D. no laboratório de Bowers, é que um laser de feedback distribuído (DFB) produz uma linha de laser. Essa linha então passa por um controlador de fase óptica e entra no ressonador de micro-anel, fazendo com que a intensidade da energia aumente conforme a luz viaja ao redor do anel. Se a intensidade atinge um certo limite, efeitos ópticos não lineares ocorrem, fazendo com que uma linha de laser crie duas adicionais, linhas idênticas em ambos os lados. Cada uma dessas duas "linhas laterais" cria outras, levando a uma cascata de geração de linha de laser. "Você acaba com uma série de pentes de frequência mutuamente coerentes, "Xiang disse - e uma capacidade amplamente expandida de transmitir dados.

Essa pesquisa permite que os lasers semicondutores sejam perfeitamente integrados com micro-ressonadores ópticos não lineares de baixa perda - "baixa perda" porque a luz pode viajar no guia de ondas sem perder uma quantidade significativa de sua intensidade ao longo da distância. Nenhum acoplamento óptico é necessário, e o dispositivo é totalmente controlado eletricamente. Mais importante, a nova tecnologia se presta à produção em escala comercial, porque milhares de dispositivos podem ser feitos de um único wafer usando técnicas compatíveis com o semicondutor de óxido de metal complementar (CMOS) padrão da indústria. "Nossa abordagem abre caminho para grandes volumes, fabricação de baixo custo de pentes de frequência baseados em chip para transceptores de alta capacidade de próxima geração, datacenters, plataformas espaciais e móveis, "afirmaram os pesquisadores.

O principal desafio na fabricação do dispositivo era que o laser semicondutor e o ressonador, que gera o pente, teve que ser construído em diferentes plataformas de materiais. Os lasers podem ser feitos apenas com materiais dos grupos III e V da Tabela Periódica, como fosforeto de índio, e os melhores pentes só podem ser feitos de nitreto de silício. "Então, tivemos que encontrar uma maneira de colocá-los juntos em um único wafer, "Xiang explicou.

Trabalhando sequencialmente no mesmo wafer, os pesquisadores alavancaram o processo de integração heterogênea da UCSB para fazer lasers de alto desempenho em substrato de silício e a capacidade de seus colaboradores EPFL de fazer micro-ressonadores de nitreto de silício de ultra-baixa perda de alto Q usando o "processo de damasceno fotônico" que desenvolveram. O processo em escala de wafer - em contraste com a fabricação de dispositivos individuais e, em seguida, combinando-os um por um - permite que milhares de dispositivos sejam feitos a partir de um único wafer de 100 mm de diâmetro, um nível de produção que pode ser ampliado ainda mais em relação ao substrato padrão da indústria de 200 mm ou 300 mm de diâmetro.

Para que o dispositivo funcione corretamente, o laser, o ressonador e a fase óptica entre eles devem ser controlados para criar um sistema acoplado baseado no fenômeno de "travamento por auto-injeção". Xiang explicou que a saída do laser é parcialmente refletida de volta pelo micro-ressonador. Quando uma determinada condição de fase é alcançada entre a luz do laser e a luz refletida de volta do ressonador, diz-se que o laser está bloqueado no ressonador.

Normalmente, luz refletida de volta prejudica o desempenho do laser, mas aqui é crucial para gerar a microcombina. A luz do laser bloqueada desencadeia a formação de soliton no ressonador e reduz o ruído da luz do laser, ou instabilidade de frequência, ao mesmo tempo. Assim, algo prejudicial se transforma em benefício. Como resultado, a equipe foi capaz de criar não apenas a primeira microcomba de soliton a laser integrada em um único chip, mas também as primeiras fontes de laser de largura de linha estreita com vários canais disponíveis em um chip.

"O campo da geração de pentes ópticos é muito empolgante e está se movendo muito rápido. Ele está encontrando aplicações em relógios ópticos, redes ópticas de alta capacidade e muitas aplicações espectroscópicas, "disse Bowers, a Cátedra Fred Kavli em Nanotecnologia e o diretor do Instituto de Eficiência Energética da Faculdade de Engenharia. "O elemento que faltava era um chip independente que inclui a bomba de laser e o ressonador óptico. Demonstramos esse elemento-chave, o que deve permitir uma rápida adoção dessa tecnologia. "

"Acho que esse trabalho vai se tornar muito grande, "disse Xiang. O potencial desta nova tecnologia, ele adicionou, o lembra da maneira como colocar lasers no silício 15 anos atrás promoveu a pesquisa e a comercialização industrial de fotônica de silício. "Essa tecnologia transformadora foi comercializada, e a Intel envia milhões de produtos transceptores por ano, "Ele disse." A fotônica de silício do futuro usando óptica co-empacotada provavelmente será um forte impulsionador para transceptores de maior capacidade usando um grande número de canais ópticos. "

Xiang explicou que o favo atual produz cerca de vinte a trinta linhas de favo utilizáveis ​​e que a meta daqui para frente será aumentar esse número, "espero obter cem linhas combinadas de cada ressonador a laser, com baixo consumo de energia. "

Com base no uso de baixa energia das microcombas soliton e sua capacidade de fornecer um grande número de linhas de pente óptico de alta pureza para comunicação de dados, disse Xiang, "Acreditamos que nossa conquista pode se tornar a espinha dorsal dos esforços para aplicar tecnologias de pente de frequência óptica em muitas áreas, incluindo esforços para acompanhar o rápido crescimento do tráfego de dados e, esperançosamente, desacelerar o crescimento do consumo de energia em datacenters de grande escala. "