Gli scienziati sviluppano un quanto a banda larga

27 luglio 2023

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dall'Accademia Cinese delle Scienze

Fin dalla sua concezione alla fine degli anni '90, il pettine di frequenza laser ha rivoluzionato la misurazione precisa della frequenza e del tempo. Oltre al loro utilizzo iniziale negli orologi ottici e nella spettroscopia di precisione, i pettini di frequenza ottica (OFC) hanno mostrato un forte potenziale per varie applicazioni, tra cui la spettroscopia ultravioletta e infrarossa (IR), il telerilevamento, la sintesi di frequenza ottica e le comunicazioni ottiche ad alta velocità.

Tuttavia, i forti impulsi ottici forniti da un OFC modulato in ampiezza (AM) non sono favorevoli ai sistemi DWDM (dense wavelength-division multiplexing) in cui vengono utilizzati molti modulatori di microanelli. Questo perché l’elevata potenza istantanea degli impulsi ottici comporterebbe forti non linearità termiche.

D'altra parte, la formazione di un OFC a banda larga si basa su un'attenta ingegneria della dispersione della velocità di gruppo (GVD) della guida d'onda, il che è impegnativo per le piattaforme in cui la GVD è determinata principalmente dal materiale. Pertanto, le dimensioni, il peso, il consumo energetico e il costo del sistema (SWaP-C) degli OFC devono essere migliorati per l’utilizzo degli OFC nell’industria.

In un nuovo articolo pubblicato su Light: Science & Applications, un team di scienziati, guidato dal professor John Bowers dell'Institute for Energy Efficiency, University of California, Santa Barbara, USA, ha sviluppato un pettine a modulazione di frequenza (FM) basato su laser avanzato a punti quantici (QD). Un design adeguato della cavità laser consente una larghezza di banda ottica record di 3 dB di 2,2 THz nella banda O delle telecomunicazioni.

La spaziatura tra i canali arriva fino a 60 GHz, il che è vantaggioso per eliminare la diafonia tra i canali nella trasmissione dei dati. Ancora più interessante è che questo pettine FM a onda quasi continua non fornisce forti impulsi ottici, il che è favorevole a un sistema DWDM integrato.

Sfruttando il laser QD, il pettine FM a banda larga viene generato da una cavità laser lunga 1,35 mm e larga 2,6 um, insieme a un'elevata efficienza wall-plug superiore al 12%. Rispetto ad altre tecnologie OFC integrate, il pettine FM segnalato basato sul laser QD mostra un SWaP-C superiore, che è una soluzione perseguita sia dal mondo accademico che dall'industria.

Le notevoli proprietà del materiale QD lo rendono una piattaforma promettente per la generazione di pettini FM. La dinamica di guadagno ultraveloce consente un'enorme non linearità di Kerr e una miscelazione a quattro onde, il che rende il laser QD un candidato migliore per la generazione di pettini FM nella banda di comunicazione ottica rispetto ai convenzionali laser a diodi a pozzo quantico.

È importante sottolineare che questo approccio riportato ci consente di migliorare la larghezza di banda ottica senza la necessità di un'attenta ingegneria della dispersione della guida d'onda. Questo risultato è ottenuto grazie all'ingegneria della nonlinearità di Kerr, che può essere semplicemente controllata da una tensione applicata alla sezione assorbente saturabile del laser. Pertanto, questo approccio riduce le sfide nel processo di fabbricazione. Questi scienziati commentano i loro risultati in questo lavoro:

"Si tratta di un'evoluzione del modo di pensare. Il primo laser con modalità bloccata è stato dimostrato nel 1963, da allora sono stati fatti enormi progressi. Si pensava che un laser con modalità bloccata dovesse fornire forti impulsi ottici a causa della sua AM (ampiezza- modulazione). Tuttavia, dimostriamo che non è necessario. Il laser con modalità bloccata FM (modulazione di frequenza) sta vivendo una rinascita. È nella sua natura fornire uno spettro a banda larga e con sommità piatta insieme a un quasi- emissione ad onda continua."