Informationsteknologin fortsätter att utvecklas i snabb takt. Dock, de växande kraven från datacenter har drivit elektriska input-output-system till sin fysiska gräns, vilket har skapat en flaskhals. Att upprätthålla denna tillväxt kommer att kräva en förändring i hur vi bygger datorer. Framtiden är optisk.

Under det senaste decenniet, fotonikområdet har gett en lösning på chip-till-chip-bandbreddsproblemet i den elektroniska världen genom att öka länkavståndet mellan servrar med högre bandbredd, mycket mindre energi, och lägre latens jämfört med elektriska sammankopplingar.

En del av denna revolution, kiselfotonik, var avancerad för femton år sedan när UC Santa Barbara och Intel demonstrerade silikonlaserteknik. Detta har sedan dess utlöst en explosion av detta fält. Intel levererar nu miljontals fotoniska sändtagare av kisel till datacenter över hela världen.

Nu, ett samarbete mellan UC Santa Barbara, Caltech, och EPFL har gjort ytterligare en revolutionerande upptäckt på området. Gruppen lyckades förenkla och kondensera ett komplext optiskt system på ett enda fotoniskt kiselchip. Prestationen, publicerad i Natur , sänker produktionskostnaderna avsevärt och möjliggör enkel integration med traditionella, produktion av kiselchips.

"Hela internet drivs av fotonik nu, " säger John Bowers, som innehar Fred Kavli-stolen i nanoteknik vid UC Santa Barbara och leder campus Institute for Energy Efficiency och ledde forskningssamarbetet.

Trots fotonikens stora framgång i internets ryggrad, det finns fortfarande utmaningar. Explosionen av datatrafik innebär också växande krav på de datahastigheter som ett fotoniskt kiselchip kan hantera. Än så länge, Det effektivaste sättet att möta denna efterfrågan är att använda flerfärgade laserljus för att överföra information:ju fler laserfärger, desto mer information kan tas med.

Men detta utgör ett problem för integrerade lasrar, som bara kan generera en färg laserljus åt gången. "Du kanske bokstavligen behöver femtio eller fler lasrar i det chipet för det ändamålet, " säger Bowers. Och att använda femtio lasrar är dyrt och ineffektivt när det gäller kraft. Dessutom, brus och värme kan få ljusfrekvensen som varje laser producerar att fluktuera. Till sist, med flera lasrar, frekvenserna kan till och med glida in i varandra, ungefär som tidiga radiostationer gjorde.

En lösning kan hittas i tekniken för "optiska frekvenskammar", som är samlingar av lika fördelade laserfrekvenser. Att plotta frekvenserna avslöjar toppar och dippar som liknar en hårkam - därav namnet.

Generera kammar som används för att kräva skrymmande och dyr utrustning, men detta kan nu hanteras med de nyligen framkomna mikroresonatorbaserade soliton-frekvenskamarna, som är miniatyriserade frekvenskamkällor byggda på CMOS fotonchip. Genom att använda denna "integrerade fotonik"-metod, det samarbetande teamet har utvecklat den minsta kamgeneratorn i världen, som i huvudsak löser alla dessa problem.

Systemet är ganska enkelt, bestående av en kommersiellt tillgänglig återkopplingslaser och ett fotonchip av kiselnitrid. "Det vi har är en källa som genererar alla dessa färger från en laser och ett chip, " säger Bowers. "Det är det som är viktigt med det här."

Den enkla strukturen betyder liten skala, mindre kraft, och lägre kostnad. Hela setupen får nu plats i ett paket som är mindre än en tändsticksask vars totala pris och strömförbrukning är mindre än tidigare system.

Den nya tekniken är också mycket bekvämare att använda. Tidigare, att skapa en stabil kam hade varit en knepig strävan. Forskare skulle behöva justera frekvens och effekt precis rätt för att producera en koherent solitonkam, och även då, processen garanterades inte att generera en kam varje gång. "Det nya tillvägagångssättet gör processen lika enkel som att tända en rumsbelysning, " säger Kerry Vahala, Professor i tillämpad fysik och informationsvetenskap och teknologi vid Caltech, där det nya solitongenerationsschemat upptäcktes.

"Det som är anmärkningsvärt med resultatet är den fullständiga fotoniska integrationen och reproducerbarheten med vilken frekvenskammar kan genereras på begäran, " tillägger Tobias J. Kippenberg, Professor i fysik vid EPFL som leder Laboratory and Photonics and Quantum Measurement (LPQM), och vars laboratorium först observerade mikrokammar för mer än ett decennium sedan.

EPFL-teamet har tillhandahållit fotonchips av kiselnitrid med ultralåg förlust, som tillverkades vid EPFL Center of MicroNanoTechnology (CMi) och fungerar som nyckelkomponenten för soliton -kamgenerering. Tekniken för fotonik med låg förlust av kiselnitrid har kommersialiserats via labbstarten LIGENTEC.

"Magin" bakom alla dessa förbättringar ligger i ett intressant fysiskt fenomen:när pumplasern och resonatorn är integrerade, deras interaktion bildar ett starkt kopplat system som är självinjektionslåsande och som samtidigt genererar "solitoner" - pulser som cirkulerar oändligt inuti resonatorn och ger upphov till optiska frekvenskammar.

Den nya tekniken förväntas ha en omfattande inverkan på fotonik. Förutom att möta kraven från flerfärgade ljuskällor i kommunikationsrelaterade produkter, det öppnar också upp för många nya möjligheter i många applikationer. Ett exempel är optiska klockor, som ger den mest exakta tidsstandarden i världen och används i ett antal tillämpningar, från navigering till att mäta fysiska konstanter.

"Optiska klockor brukade vara stora, tung, och dyrt, " säger Bowers. "Det finns bara ett fåtal i världen. Med integrerad fotonik, vi kan göra något som passar i ett armbandsur, och du hade råd."

"Lågbrusintegrerade optiska mikrokammar kommer att möjliggöra en ny generation optiska klockor, kommunikation och sensorer, " säger Gordon Keeler, projektets chef vid Defence Advanced Research Projects Agency (DARPA). "Vi borde se mer kompakta, känsligare GPS-mottagare kommer ur detta tillvägagångssätt."

Allt som allt, framtiden ser ljus ut för fotonik. "Det är nyckelsteget att överföra frekvenskamteknologin från laboratoriet till den verkliga världen, " säger Bowers. "Det kommer att förändra fotoniken och våra dagliga liv."