Tio år fram i tiden. Det är ungefär hur långt UC Santa Barbara professor för el- och datateknik John Bowers och hans forskargrupp når med den senaste utvecklingen av deras mode-låsta kvantpunktslasrar på kisel. Det är teknik som inte bara kan öka datacentrernas dataöverföringskapacitet massivt, telekommunikationsföretag och nätverkshårdvaruprodukter som kommer, men gör det med hög stabilitet, lågt ljud och energieffektiviteten hos kiselfotonik.

"Datatrafiknivån i världen stiger mycket, väldigt snabbt, "sa Bowers, medförfattare till ett papper om den nya tekniken i tidskriften Optica . Generellt, han förklarade, överförings- och datakapaciteten för den toppmoderna telekommunikationsinfrastrukturen måste fördubblas ungefär vartannat år för att upprätthålla höga prestanda. Det betyder att även nu, teknikföretag som Intel och Cisco måste sikta på hårdvaran från 2024 och framåt för att förbli konkurrenskraftiga.

Ange Bowers-gruppens högkanalräkning, 20 gigahertz, passivt lägeslåst kvantpunktslaser, direkt odlad - för första gången, till gruppens kunskap - på ett kiselsubstrat. Med en beprövad överföringskapacitet på 4,1 terabit per sekund, det hoppar ett uppskattat helt decennium framåt från dagens bästa kommersiella standard för dataöverföring, som för närvarande når 400 gigabit per sekund på Ethernet.

Tekniken är den senaste högpresterande kandidaten i en etablerad teknik som kallas Wavelength-division-multiplexing (WDM), som sänder många parallella signaler över en enda optisk fiber med olika våglängder (färger). Det har möjliggjort strömning och snabb dataöverföring som vi har förlitat oss på för vår kommunikation, underhållning och handel.

Bowers Groups nya teknik drar nytta av flera framsteg inom telekommunikation, fotonik och material med sin kvantpunktslaser – en liten, mikronstorlekskälla-som kan avge ett brett spektrum av ljusvåglängder över vilka data kan överföras.

"Vi vill att fler sammanhängande våglängder genereras i en billig ljuskälla, sa Songtao Liu, en postdoktor i Bowers Group och huvudförfattare till uppsatsen. "Quantum dots kan erbjuda dig ett brett förstärkningsspektrum, och det är därför vi kan uppnå många kanaler. "Deras quantum dot laser producerar 64 kanaler, fördelat på 20 GHz, och kan användas som en sändare för att öka systemets kapacitet.

Lasern är passivt 'mode-låst'-en teknik som genererar koherenta optiska 'kammar' med fasta kanalavstånd-för att förhindra brus från våglängdskonkurrens i laserkaviteten och stabilisera dataöverföring.

Denna teknik representerar ett betydande framsteg inom området för elektroniska och fotoniska integrerade kretsar av kisel, där det primära målet är att skapa komponenter som använder ljus (fotoner) och vågledare - utan motstycke för datakapacitet och överföringshastighet samt energieffektivitet - tillsammans med och till och med i stället för elektroner och ledningar. Kisel är ett bra material för ljuskvaliteten det kan styra och bevara, och för enkelhet och låg kostnad för dess storskaliga tillverkning. Dock, det är inte så bra för att generera ljus.

"Om du vill generera ljus effektivt, du vill ha en direkt bandgap halvledare, "sa Liu, med hänvisning till den idealiska elektroniska strukturegenskapen för ljusemitterande fasta ämnen. "Silicon är en indirekt bandgap-halvledare." Bowers Groups quantum dot laser, odlas på kiselmolekyl för molekyl vid UC Santa Barbaras nanofabrikationsanläggningar, är en struktur som utnyttjar de elektroniska egenskaperna hos flera halvledarmaterial för prestanda och funktion (inklusive deras direkta bandgap), utöver kiselns egna välkända optiska och tillverkningsfördelar.

Denna quantum dot laser, och komponenter som det, förväntas bli normen inom telekommunikation och databehandling, eftersom teknikföretag söker sätt att förbättra sin datakapacitet och överföringshastighet.

"Datacenter köper nu stora mängder fotoniska sändtagare av kisel, "Påpekade Bowers." Och det gick från ingenting för två år sedan. "

Eftersom Bowers för ett decennium sedan visade världens första hybridkisellaser (ett försök i samarbete med Intel), världen av kiselfotonik har fortsatt att skapa högre effektivitet, högre prestanda teknik samtidigt som du behåller ett så litet fotavtryck som möjligt, med sikte på massproduktion. Quantum dot laser på kisel, Bowers och Liu säger, är toppmodern teknik som levererar den överlägsna prestanda som kommer att eftersträvas för framtida enheter.

"Vi skjuter långt där ute, "sa Bowers, som innehar Fred Kavli -stolen i nanoteknik, "vilket är vad universitet forskning bör göra."