Un desarrollo revolucionario en la fotónica de silicio: el generador de peine más pequeño del mundo

¡Lo que funcionó en el pasado ya no será suficiente! Hoy en día, los enlaces entre los servidores son más largos y la cantidad de calor generado por esos enlaces se está volviendo cada vez más problemática. Los sistemas modernos también requieren una mayor capacidad de ancho de banda y no pueden tolerar las latencias inherentes a los enlaces de cobre. Ahí es donde entra la fotónica.

Fotónica al rescate

La información transportada por los fotones viaja a la velocidad de la luz, y los fotones no generan calor. La tecnología para utilizar fotones para enviar datos recibió un gran impulso gracias a una demostración de la tecnología de láser de silicio de UC Santa Barbara (UCSB) e Intel. Y ahora, quince años después, Intel proporciona a los centros de datos millones de transceptores fotónicos basados ​​en silicio cada año.
Sin embargo, la utilización práctica de la tecnología láser de silicio, en la actualidad, requiere el empleo de sistemas ópticos complejos y engorrosos. Un grupo de investigadores de UCSB, Caltech y el Instituto Federal Suizo de Tecnología de Lausana (EPFL) ha desarrollado una forma de fabricar sistemas en un chip fotónico de silicio. Este avance permite reducir los costos de producción y la integración dentro de los procesos establecidos de fabricación de chips de silicio.

Láseres multicolores

Múltiples estaciones de radio pueden entregar numerosos programas al mundo en el mismo espacio aéreo porque cada estación transmite en una frecuencia diferente. Del mismo modo, los láseres de diferentes colores pueden transmitir flujos de datos separados desde el mismo enlace de datos sin interferencia. El problema es que cada láser de silicio solo puede transmitir en una frecuencia.
Según lo descrito por John Bowers de UCSB, quien dirigió el grupo de investigación, "literalmente podría necesitar 50 o más láseres en ese chip para ese propósito". Una de las múltiples desventajas es que las frecuencias láser pueden derivarse entre sí, al igual que las estaciones de radio utilizadas para crear interferencia.

La estructura interna del chip microcomb, junto a una cuarta parte para demostrar su tamaño. Imagen acreditada a Lin Chang

Peines de frecuencia óptica

El problema se alivió con el desarrollo de peines de frecuencia óptica, una amalgamación de canales de luces láser igualmente espaciados. Una gráfica de frecuencias versus intensidad revela picos y vacíos que se parecen al contorno del peine del cabello, de ahí el nombre. Hasta ahora, crear ese peine de frecuencia era un esfuerzo desafiante.

El generador de peine más pequeño del mundo

La solución del equipo de Bowers fue notablemente simple, compuesta de un chip fotónico de nitruro de silicio y un láser de retroalimentación. Según Bowers, “lo que tenemos es una fuente que genera todos estos colores de un láser y un chip. Eso es lo importante de esto ".
La nueva solución representa ahorros en energía, costos y bienes raíces de la junta. También hace que la producción de un peine estable, llamado solitón, sea mucho más manejable. Según el coautor Kerry Vahala de Caltech, "el nuevo enfoque hace que el proceso sea tan fácil como encender la luz de una habitación".
Vahala es secundada por Tobias J. Kippenberg de EPFL, el proveedor de los chips fotónicos de nitruro de silicio, una tecnología previamente comercializada por LIGENTEC. Kippenberg afirma que "lo que es notable sobre el resultado es la reproducibilidad con la que se pueden generar peines de frecuencia a pedido".
Como se describe en el anuncio de UCSB, “La magia detrás de todas estas mejoras radica en un fenómeno físico interesante. Cuando el láser de la bomba y el resonador están integrados, la interacción entre ellos forma un sistema altamente acoplado que es el bloqueo de autoinyección. Simultáneamente genera "solitones", pulsos que circulan indefinidamente dentro del resonador y dan lugar a peines de frecuencia óptica ".

Implicaciones adicionales de esta nueva tecnología

Los relojes ópticos son los relojes más precisos disponibles en la actualidad, pero son tan grandes y pesados ​​que, según Bowers, existen pocos en el mundo. Los relojes ópticos pueden hacerse lo suficientemente pequeños y económicos como para caber en un reloj de pulsera con esta nueva tecnología.
Si bien esto podría ser un poco exagerado, tiene implicaciones en el GPS y en una gran cantidad de otras aplicaciones. Según Bowers, "es el paso clave para transferir la tecnología de peine de frecuencia del laboratorio al mundo real".