Fra specialbygget til færdiglavet fotonik

Informationsteknologien fortsætter med at udvikle sig i et hurtigt tempo. Imidlertid, de stigende krav fra datacentre har skubbet elektriske input-output-systemer til deres fysiske grænse, som har skabt en flaskehals. At bevare denne vækst vil kræve et skift i, hvordan vi bygger computere. Fremtiden er optisk.

I løbet af det sidste årti, området fotonik har givet en løsning på chip-til-chip-båndbreddeproblemet i den elektroniske verden ved at øge forbindelsesafstanden mellem servere med højere båndbredde, langt mindre energi, og lavere latenstid sammenlignet med elektriske forbindelser.

Et element i denne revolution, silicon fotonik, blev avanceret for femten år siden, da UC Santa Barbara og Intel demonstrerede siliciumlaserteknologi. Dette har siden udløst en eksplosion af dette felt. Intel leverer nu millioner af silicon fotoniske transceivere til datacentre over hele verden.

Nu, et samarbejde mellem UC Santa Barbara, Caltech, og EPFL har gjort endnu en revolutionær opdagelse på området. Gruppen formåede at forenkle og kondensere et komplekst optisk system på en enkelt silicon fotonisk chip. Præstationen, udgivet i Natur , sænker produktionsomkostningerne betydeligt og muliggør let integration med traditionelle, produktion af siliciumchips.

"Hele internettet er drevet af fotonik nu, "siger John Bowers, som har Fred Kavli -stolen i nanoteknologi ved UC Santa Barbara og leder campusens institut for energieffektivitet og ledet den fælles forskningsindsats.

På trods af den store succes med fotonik i internettets rygrad, der er stadig udfordringer. Eksplosionen af ​​datatrafik betyder også stigende krav til de datahastigheder, som silicon fotonisk chip kan håndtere. Indtil nu, den mest effektive måde at imødekomme dette krav på er at bruge flerfarvede laserlys til at overføre oplysninger:jo flere laserfarver, mere information kan transporteres.

Men dette udgør et problem for integrerede lasere, som kun kan generere en farve laserlys ad gangen. "Du har muligvis bogstaveligt talt brug for halvtreds eller flere lasere i den chip til dette formål, "siger Bowers. Og at bruge halvtreds lasere er dyrt og ineffektivt med hensyn til strøm. Også, støj og varme kan få lysfrekvensen, som hver laser producerer, til at svinge. Endelig, med flere lasere, frekvenserne kan endda glide ind i hinanden, meget som tidlige radiostationer gjorde.

En løsning kan findes i teknologien "optiske frekvenskamme", som er samlinger af lige store mellemrum af laserlys. Plotte frekvenserne afslører pigge og dips, der ligner en hårkam - deraf navnet.

Generering af kamme, der bruges til at kræve omfangsrigt og dyrt udstyr, men dette kan nu styres ved hjælp af de nyligt fremkomne mikroresonatorbaserede solitonfrekvenskamme, som er miniaturiserede frekvenskammekilder bygget på CMOS fotoniske chips. Ved hjælp af denne "integrerede fotonik" tilgang, det samarbejdende team har udviklet den mindste kamgenerator i verden, som i det væsentlige løser alle disse spørgsmål.

Systemet er ret simpelt, bestående af en kommercielt tilgængelig feedbacklaser og en fotonisk siliciumnitridchip. "Det, vi har, er en kilde, der genererer alle disse farver ud fra en laser og en chip, "siger Bowers." Det er det, der er vigtigt ved dette. "

Den enkle struktur betyder lille skala, mindre strøm, og lavere omkostninger. Hele opsætningen passer nu i en pakke, der er mindre end en tændstikæske, hvis samlede pris og strømforbrug er mindre end tidligere systemer.

Den nye teknologi er også meget mere praktisk at betjene. Tidligere har at generere en stabil kam havde været en vanskelig opgave. Forskere skulle justere frekvens og effekt helt rigtigt for at producere en sammenhængende soliton kam, og selv da, processen var ikke garanteret at generere en kam hver gang. "Den nye tilgang gør processen lige så let som at tænde et rumlys, "siger Kerry Vahala, Professor i anvendt fysik og informationsvidenskab og teknologi ved Caltech, hvor det nye soliton -generationsskema blev opdaget.

"Det bemærkelsesværdige ved resultatet er den fulde fotoniske integration og reproducerbarhed, hvormed frekvenskamme kan genereres efter behov, "tilføjer Tobias J. Kippenberg, Professor i fysik ved EPFL, der leder Laboratory and Photonics and Quantum Measurement (LPQM), og hvis laboratorium første gang observerede mikrokamre for mere end et årti siden.

EPFL-teamet har leveret ultralow-loss siliciumnitrid fotoniske chips, som blev fremstillet i EPFL Center for MicroNanoTechnology (CMi) og fungerer som nøglekomponenten til soliton kamgenerering. Silicon nitrid fotonik-teknologien med lavt tab er blevet kommercialiseret via lab-opstart LIGENTEC.

"Magien" bag alle disse forbedringer ligger i et interessant fysisk fænomen:når pumpelaser og resonator er integreret, deres interaktion danner et stærkt koblet system, der er selvinjektionslåsende og samtidig genererer "solitons"-pulser, der cirkulerer på ubestemt tid inde i resonatoren og giver anledning til optiske frekvenskamme.

Den nye teknologi forventes at få en omfattende indvirkning på fotonik. Ud over at imødekomme kravene fra flerfarvede lyskilder i kommunikationsrelaterede produkter, det åbner også op for en masse nye muligheder i mange applikationer. Et eksempel er optiske ure, som giver den mest nøjagtige tidsstandard i verden og bruges i en række applikationer, fra navigation til måling af fysiske konstanter.

"Optiske ure var tidligere store, tung, og dyrt, "siger Bowers." Der er kun få i verden. Med integreret fotonik, vi kan lave noget, der kan passe ind i et armbåndsur, og du havde råd til det. "

"Integrerede støjsvage integrerede optiske mikrokamre muliggør en ny generation af optiske ure, kommunikation og sensorer, "siger Gordon Keeler, projektets leder ved Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). "Vi burde se mere kompakte, mere følsomme GPS -modtagere, der kommer ud af denne tilgang. "

Alt i alt, fremtiden ser lys ud for fotonik. "Det er det vigtigste trin for at overføre frekvenskammeteknologien fra laboratoriet til den virkelige verden, "siger Bowers." Det vil ændre fotonik og vores daglige liv. "