För femton år sedan, UC Santa Barbara elektriska och materialprofessor John Bowers var banbrytande för en metod för att integrera en laser på en kiselskiva. Tekniken har sedan dess använts i stor utsträckning i kombination med andra foton av kiselfoton för att ersätta koppartrådsanslutningarna som tidigare länkade servrar vid datacenter, dramatiskt ökad energieffektivitet - en viktig strävan i en tid då datatrafiken växer med ungefär 25% per år.

För några år, Bowers -gruppen har samarbetat med gruppen Tobias J. Kippenberg vid Swiss Federal Institute of Technology (EPFL), inom Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) Direct On-Chip Digital Optical Synthesizer (DODOS) program. Kippenberg -gruppen upptäckte "mikrokamrar, "en serie paralleller, lågt ljud, mycket stabila laserlinjer. Var och en av de många raderna i laserkammen kan bära information, multiplicera omfattande mängden data som kan skickas med en enda laser.

Nyligen, flera lag demonstrerade mycket kompakta kammar genom att placera ett halvledarlaserchip och ett separat kiselnitridring-resonatorchip mycket nära varandra. Dock, lasern och resonatorn var fortfarande separata enheter, gjorda oberoende och sedan placerade i närheten av varandra perfekt anpassade, en kostsam och tidskrävande process som inte är skalbar.

Bowers lab har arbetat med Kippenberg lab för att utveckla en integrerad on-chip halvledarlaser och resonator som kan producera en lasermikrokamm. Ett papper med titeln "Laser soliton microcombs heterogent integrerat på kisel, "publicerad i det nya numret av tidskriften Vetenskap , beskriver laboratoriernas framgångar med att bli först med att uppnå det målet.

Soliton -mikrokam är optiska frekvenskammar som avger inbördes koherenta laserlinjer - det vill säga linjer som är konstanta, oförändrad fas i förhållande till varandra. Tekniken tillämpas inom områdena optisk timing, metrologi och avkänning. De senaste fältdemonstrationerna inkluderar multi-terabit per sekund optisk kommunikation, ultrasnabb ljusdetektering och intervall (LiDAR), neuromorf beräkning, och astrofysisk spektrometerkalibrering för planetsökning, för att nämna flera. Det är ett kraftfullt verktyg som normalt kräver exceptionellt hög effekt och dyra lasrar och sofistikerad optisk koppling för att fungera.

Arbetsprincipen för en lasermikrokamm, förklarade huvudförfattaren Chao Xiang, en postdoktor och nyutbildad doktorand i Bowers lab, är att en laser med distribuerad återkoppling (DFB) producerar en laserlinje. Den linjen passerar sedan genom en optisk fasstyrenhet och går in i mikro-ringresonatorn, vilket får effektintensiteten att öka när ljuset färdas runt ringen. Om intensiteten når en viss tröskel, olinjära optiska effekter uppstår, vilket får den ena laserlinjen att skapa ytterligare två, identiska linjer på båda sidor. Var och en av de två "sidlinjerna" skapar andra, vilket leder till en kaskad av laserlinjegenerering. "Du slutar med en serie ömsesidigt sammanhängande frekvenskammar, "Sa Xiang - och en mycket utökad förmåga att överföra data.

Denna forskning gör det möjligt att sömlöst integrera halvledarlasrar med icke-linjära optiska mikroresonatorer med låg förlust-"low-loss" eftersom ljuset kan färdas i vågledaren utan att förlora en betydande mängd av dess intensitet över avstånd. Ingen optisk koppling krävs, och enheten är helt elektriskt styrd. Viktigt, den nya tekniken lämpar sig för produktion i kommersiell skala, eftersom tusentals enheter kan tillverkas från en enda skiva med hjälp av branschstandardkompletterande metalloxidhalvledare (CMOS) -kompatibla tekniker. "Vårt tillvägagångssätt banar väg för stora volymer, låg kostnadstillverkning av chipbaserade frekvenskammar för nästa generations högkapacitetssändtagare, datacenter, rymden och mobila plattformar, "konstaterade forskarna.

Den viktigaste utmaningen för att göra enheten var att halvledarlasern och resonatorn, som genererar kammen, måste byggas på olika materialplattformar. Lasrarna kan endast tillverkas med material från III- och V -grupperna i det periodiska systemet, såsom indiumfosfid, och de bästa kammarna kan endast tillverkas av kiselnitrid. "Så, vi var tvungna att hitta ett sätt att sätta ihop dem på en enda skiva, "Förklarade Xiang.

Arbetar sekventiellt på samma skiva, forskarna utnyttjade UCSB:s heterogena integrationsprocess för att göra högpresterande lasrar på kiselsubstrat och deras EPFL-samarbetspartners förmåga att göra rekord med ultralåg förlust av hög-Q-kiselnitridmikroresonatorer med hjälp av den "fotoniska damascenprocess" som de utvecklade. Wafer-skala-processen-till skillnad från att göra enskilda enheter och sedan kombinera dem en efter en-gör att tusentals enheter kan tillverkas av en enda skiva med en diameter på 100 mm, en produktionsnivå som kan skalas upp ytterligare från industristandarden 200 mm eller 300 mm diameter substrat.

För att enheten ska fungera korrekt, lasern, resonatorn och den optiska fasen mellan dem måste styras för att skapa ett kopplat system baserat på fenomenet "självinjektionslås". Xiang förklarade att laserutmatningen delvis återreflekteras av mikroresonatorn. När ett visst fasförhållande uppnås mellan ljuset från lasern och det bakreflekterade ljuset från resonatorn, lasern sägs vara låst till resonatorn.

I vanliga fall, bakreflekterat ljus skadar laserprestanda, men här är det avgörande för att generera mikrokammen. Det låsta laserljuset utlöser solitonbildning i resonatorn och reducerar laserljusbruset, eller frekvensinstabilitet, på samma gång. Således, något skadligt förvandlas till en fördel. Som ett resultat, teamet kunde skapa inte bara den första laser soliton mikrokomponenten integrerad på ett enda chip, men också de första laserkällorna med smal linjebredd med flera tillgängliga kanaler på ett chip.

"Fältet för optisk kamgenerering är mycket spännande och rör sig väldigt snabbt. Det är att hitta applikationer i optiska klockor, optiska nät med hög kapacitet och många spektroskopiska applikationer, "sa Bowers, Fred Kavli -ordföranden i nanoteknik och direktören för College of Engineering Institute for Energy Efficiency. "Det saknade elementet har varit ett fristående chip som innehåller både pumplasern och den optiska resonatorn. Vi visade att nyckelelementet, vilket borde öppna en snabb användning av denna teknik. "

"Jag tror att det här arbetet kommer att bli väldigt stort, "sade Xiang. Potentialen med denna nya teknik, han lade till, påminner honom om hur man lägger lasrar på kisel för 15 år sedan avancerade både forskning och industriell kommersialisering av kiselfotonik. "Den transformativa tekniken har kommersialiserats, och Intel skickar miljontals transceiverprodukter per år, "sade han." Framtida kiselfotonik som använder samförpackad optik kommer sannolikt att vara en stark drivkraft för högkapacitetssändtagare som använder ett stort antal optiska kanaler. "

Xiang förklarade att den nuvarande kammen producerar cirka tjugo till trettio användbara kamlinjer och att målet framöver blir att öka det antalet, "förhoppningsvis för att få hundra kombinerade linjer från varje laserresonator, med låg strömförbrukning. "

Baserat på solitonmikrokammarnas låga energianvändning och deras förmåga att tillhandahålla ett stort antal optiska kamlinjer med hög renhet för datakommunikation, sa Xiang, "Vi tror att vår prestation kan bli ryggraden i ansträngningarna att tillämpa optisk frekvenskamteknik på många områden, inklusive ansträngningar för att hålla jämna steg med snabbt växande datatrafik och, förhoppningsvis, bromsa tillväxten av energiförbrukningen i megaskala datacenter. "