I Comb di Frequenza su Scala Chip Alimentano il Futuro dei Dati

I ricercatori della Columbia Engineering hanno creato un nuovo chip in grado di trasformare un laser in un “comb di frequenza”, generando più canali luminosi potenti contemporaneamente.

Utilizzando un meccanismo di blocco speciale, i ricercatori hanno pulito la luce laser caotica e hanno raggiunto una precisione di livello laboratoriale su un piccolo dispositivo in silicio. Questo risultato può migliorare significativamente l’efficienza dei data center e stimolare innovazioni in LiDAR, sensori e tecnologia quantistica.

I Microcomb Ridimensionano la Precisione di Livello Laboratorio su un Chip 

I ricercatori hanno creato il dispositivo microcomb ad alta potenza per migliorare la tecnologia LiDAR (Light Detection and Ranging).

LiDAR è una tecnologia di telerilevamento che utilizza impulsi laser per calcolare distanze e creare modelli 3D ad alta risoluzione dell’ambiente. Funziona come il radar, ma utilizza la luce anziché il suono.

Il sistema emette impulsi laser e misura il tempo di ritorno per determinare distanze precise dagli oggetti e tracciare i movimenti in tempo reale.

Composto da un laser, uno scanner e un ricevitore GPS specializzato, uno strumento LiDAR genera una dettagliata “nuvola di punti” di dati, che viene poi usata per creare mappe 3D per applicazioni come la guida autonoma, il monitoraggio ambientale, il rilievo e l’archeologia.

La tecnologia è stata inventata negli anni ’60, inizialmente applicata alla meteorologia, al rilevamento oceanico e alla mappatura topografica, prima di essere estesa allo spazio dalla NASA. Negli anni 2010 le automobili commerciali hanno iniziato a utilizzare il LiDAR e, da allora, il LiDAR automobilistico è diventato molto popolare nelle auto elettriche di fascia alta.

Dato il crescente impiego del LiDAR, i ricercatori hanno lavorato costantemente per migliorare la tecnologia. Molte innovazioni entusiasmanti delle tecnologie laser sono integrate con ottiche avanzate, consentendo una ulteriore miniaturizzazione e promettendo un futuro a lungo termine per i sistemi LiDAR.

L’obiettivo dei ricercatori della Columbia University School of Engineering and Applied Science era trovare un modo per sbloccare maggiore potenza e purezza spettrale da sistemi laser compatti per abilitare la generazione di comb di frequenza su scala chip per migliorare le comunicazioni, il sensing, la spettroscopia, il LiDAR e altre applicazioni fotoniche integrate.

Così, hanno creato un microcomb, un dispositivo fotonico miniaturizzato che produce una serie di frequenze ottiche equidistanti, simili ai denti di un pettine, su un chip.

Questi microcomb di frequenza miniaturizzati integrati hanno il potenziale di ridurre le dimensioni dei sistemi complessi tradizionalmente richiesti per tali applicazioni. Pertanto, i microcomb integrati sono promettenti per numerose applicazioni che richiedono alta potenza in uscita, ingombro ridotto e alta efficienza, come spettroscopia, sensing e comunicazioni dati.

Recentemente, i ricercatori hanno dimostrato microcomb pompati elettricamente attraverso l’integrazione di chip di guadagno (elementi ottici a semiconduttore) con risonatori di alta qualità. Tuttavia, la loro potenza ottica complessiva è ancora molto inferiore a quella necessaria per soluzioni pratiche.

Questa limitazione è stata affrontata dai ricercatori di Columbia che hanno dimostrato microcomb Kerr ad alta potenza pompati elettricamente. 

Da Diodi “Disordinati” a Microcomb Puliti

Curiosamente, questa è stata una scoperta accidentale. Qualche anno fa, i ricercatori nel laboratorio del co‑autore Michal Lipson, un Professore Eugene Higgins di Ingegneria Elettrica e professore di fisica applicata, stavano lavorando a un progetto per migliorare le capacità del LiDAR quando notarono qualcosa di incredibile.

Stavano progettando chip ad alta potenza in grado di generare fasci di luce più brillanti, e “man mano che inviavo più e più potenza attraverso il chip, notavamo che stava creando quello che chiamiamo un comb di frequenza,” ha detto Andres Gil‑Molina, ex ricercatore post‑doc nel laboratorio di Lipson e attualmente ingegnere principale presso Xscape Photonics.

Un comb di frequenza è uno spettro composto da linee spettrali discrete e regolarmente distanziate. Ciò significa che questo tipo speciale di luce contiene diversi colori allineati uno accanto all’altro in modo ordinato, come si vede in un arcobaleno.

Qui, decine di frequenze luminose brillano. Ma gli spazi tra questi diversi colori o frequenze rimangono scuri. Quindi, osservando queste diverse frequenze luminose su uno spettrogramma, appaiono come picchi o denti di un pettine, da qui il nome.

Poiché i diversi colori di luce non interferiscono tra loro, ogni dente agisce come un proprio canale, offrendo un’opportunità incredibile di inviare più flussi di dati simultaneamente.

Pur essendo estremamente vantaggioso, creare un comb di frequenza potente richiede laser e amplificatori grandi e costosi. 

Pubblicato su Nature Photonics¹, il documento dettaglia come lo stesso risultato possa essere ottenuto su un singolo chip. 

“La tecnologia che abbiamo sviluppato prende un laser molto potente e lo trasforma in decine di canali puliti e ad alta potenza su un chip. Ciò significa che è possibile sostituire interi rack di laser individuali con un unico dispositivo compatto, riducendo i costi, risparmiando spazio e aprendo la porta a sistemi molto più veloci ed efficienti dal punto di vista energetico.”

– Gil‑Molina

Non solo questa ricerca può soddisfare la enorme domanda creata dai data center per sorgenti luminose potenti ed efficienti contenenti molte lunghezze d’onda, ma segna anche una pietra miliare nella missione del team di avanzare la fotonica su silicio.

Conosciuta per consentire trasferimenti di dati significativamente più rapidi consumando meno energia e generando meno calore rispetto ai circuiti elettronici tradizionali, la fotonica su silicio ha trovato applicazioni in data center ad alta velocità, IA, LiDAR, tecnologie quantistiche, IoT e 5G.

La fotonica su silicio integra componenti basati sulla luce su un chip di silicio usando i processi di fabbricazione CMOS standard per creare circuiti fotonici integrati (PIC). Utilizza wafer silicon‑on‑insulator (SOI) come piattaforma semiconduttrice per formare guide d’onda e altri componenti che guidano la luce per comunicazioni più rapide, più efficienti dal punto di vista energetico e dispositivi più piccoli e a minor costo.

“Man mano che questa tecnologia diventa sempre più centrale per le infrastrutture critiche e la nostra vita quotidiana, questo tipo di progresso è essenziale per garantire che i data center siano il più efficienti possibile.”

– Lipson

Come il Self‑Injection Locking Pulisce e Moltiplica la Luce

Qual è il laser più potente che può essere integrato su un chip? Questa domanda ha guidato i ricercatori verso la loro scoperta.

Il team di Columbia ha scelto un diodo laser multimodale. Un diode laser (LD) è un dispositivo semiconduttore che produce luce monocromatica a una lunghezza d’onda specifica. I diodi laser multimodali, o Broad Area Lasers (BAL), forniscono uscite di potenza più elevate e sono ideali quando è richiesta alta potenza ottica e la qualità del fascio è meno critica.

Questi dispositivi producono un fascio più ampio, il che riduce la qualità del fascio ma aumenta la densità di potenza. I diodi laser multimodali sono ampiamente usati in applicazioni quali dispositivi medici, stampa e imaging, e strumenti di taglio laser. 

Pur producendo enormi quantità di luce, il fascio di questi laser è “disordinato”, rendendo difficile il loro utilizzo per applicazioni precise. 

Integrare un diodo laser multimodale in un chip di fotonica su silicio, dove i percorsi luminosi sono larghi solo come pochi micrometri (μm) o anche centinaia di nanometri (nm), richiede una progettazione accurata.

Per purificare questa sorgente luminosa potente ma molto rumorosa, il team ha impiegato un meccanismo di blocco.

Il self‑injection locking è stato impiegato nel regime non lineare per generare comb ad alta potenza su chip e purificare contemporaneamente la coerenza della sorgente di pompaggio.

L’injection locking è l’effetto di frequenza che può verificarsi quando un oscillatore è perturbato da un secondo oscillatore che opera a una frequenza vicina. Quando le frequenze sono sufficientemente vicine e il accoppiamento è forte, il secondo oscillatore può catturare il primo, facendolo oscillare praticamente alla stessa frequenza del secondo.

Questa tecnica è principalmente applicata a sorgenti laser a singola frequenza a onda continua (CW) quando è richiesta un’alta potenza in uscita, combinata con un rumore di intensità e di fase molto basso.

Si basa sulla fotonica su silicio per rimodellare e pulire l’uscita del laser, generando un fascio più stabile e pulito, definito alta coerenza. Una volta purificata la luce, le proprietà ottiche non lineari del chip entrano in gioco, dividendo il fascio potente unico in decine di colori equidistanti, caratteristica chiave di un comb di frequenza.

La sorgente luminosa compatta ed efficiente combina la potenza grezza di un laser industriale con la stabilità e precisione richieste per comunicazioni e sensing avanzati.

La sorgente a bassa coerenza è stata integrata con alta potenza in uscita e risonatori ad anello in nitruro di silicio. I risonatori sono progettati con dispersione di velocità di gruppo normale, il che significa che la velocità diminuisce all’aumentare della frequenza ottica. Ciò avviene quando le lunghezze d’onda più lunghe viaggiano più velocemente di quelle più corte in un mezzo, facendo allungare gli impulsi ottici nel tempo.

I microcomb creati dal team hanno raggiunto livelli di potenza totale su chip fino a 158 mW. Le linee del comb, nel frattempo, presentavano una larghezza di linea intrinseca di 200 kHz. I ricercatori hanno inoltre mostrato più del doppio del numero di linee del comb superando i 100 μW e un ordine di grandezza superiore nei livelli di potenza su chip rispetto a qualsiasi risultato precedentemente riportato.

Researchers said:

“Il nostro nuovo microcomb pompato elettricamente ha le dimensioni, la potenza e la larghezza di linea richieste per le comunicazioni dati, e potrebbe avere un forte impatto in altri settori come l’alta‑performance computing e i dispositivi ubiqui per il sensing spettrale e le applicazioni di cronometria.” 

La svolta arriva in un momento in cui il boom dell’IA sta provocando un’esplosiva crescita della domanda di capacità nei data center. Questo sta mettendo sotto pressione le loro infrastrutture, che faticano a spostare le informazioni rapidamente. Di conseguenza, le aziende stanno costruendo infrastrutture specializzate per l’IA per gestire i massicci requisiti computazionali per l’addestramento e l’esecuzione di grandi modelli IA. 

Già oggi, i collegamenti in fibra ottica vengono utilizzati da data center avanzati per trasportare dati, ma anche questi dipendono da laser a singola lunghezza d’onda.

Avendo decine di fasci che operano in parallelo attraverso la stessa fibra singola, invece di un unico fascio che trasporta un solo flusso di dati, i comb di frequenza possono migliorare drasticamente le capacità dei data center.

Questo stesso principio è alla base del WDM, o multiplexing a divisione di lunghezza d’onda, una tecnologia in fibra ottica che invia più flussi di dati simultaneamente su una singola fibra ottica assegnando a ciascun flusso una lunghezza d’onda unica, aumentando significativamente la capacità di dati e  consentendo una larghezza di banda più elevata. Il WDM ha contribuito a trasformare Internet in una rete globale ad alta velocità alla fine degli anni ’90.

Ora, il team di Lipson sta realizzando comb ad alta potenza e multicolore così piccoli da poter essere integrati direttamente su un chip. Questo risultato renderà possibile introdurre questa capacità in quelle parti dei moderni sistemi informatici che sono compatte ed expensive.

In questo modo, i chip possono cambiare il modo in cui i data center operano, semplificando il modo in cui le informazioni vengono trasmesse e elaborate, influenzando il design dei data center di nuova generazione e molti altri dispositivi che dipendono da comunicazioni ottiche efficienti. Gli stessi chip potrebbero anche abilitare sistemi LiDAR avanzati, dispositivi quantistici compatti, orologi ottici estremamente precisi e spettrometri portatili.

“Si tratta di portare sorgenti luminose di livello laboratoriale in dispositivi del mondo reale. Se riesci a renderle potenti, efficienti e sufficientemente piccole, puoi metterle quasi ovunque.”

– Gil‑Molina

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Investire nella Tecnologia Laser

Un leader globale nella fotonica e nelle tecnologie laser, Coherent Corp. (COHR ) produce diode laser a semiconduttore e componenti ottici ad alte prestazioni.

Con il suo core business incentrato sullo sviluppo e la produzione di soluzioni basate sulla fotonica, critiche nell’era attuale di calcolo avanzato e trasmissione dati, Coherent si è affermata come forza dominante nell’industria delle comunicazioni ottiche e detiene una forte quota di mercato. 

I suoi segmenti includono Networking, che sfrutta la tecnologia a semiconduttori composti per fornire componenti e sottosistemi; Materials, che comprende dispositivi optoelettronici basati su carburo di silicio (SiC), antimonio di gallio (GaSb), arsenico di gallio (GaAs), fosfuro di indio (InP), seleniuro di zinco (ZnSe) e solfuro di zinco (ZnS); e il segmento Lasers, che serve clienti industriali nei settori dei semiconduttori, della produzione di precisione, dell’aerospazio e della difesa, tra gli altri, tramite i suoi prodotti laser e ottici.

Coherent Corp. (COHR )

Con la sua ampia gamma di prodotti innovativi basati sulla fotonica, Coherent è in grado di offrire soluzioni personalizzate end‑to‑end ai clienti e di soddisfare le esigenze di scalabilità dell’infrastruttura IA.

Il suo focus strategico sul mercato IA posiziona Coherent come potenziale grande beneficiario della crescita continua dell’IA. Questo si aggiunge alla crescente domanda di componenti ottici ad alte prestazioni. Tuttavia, allo stesso tempo, l’azienda affronta sfide dovute alla crescente concorrenza sia nel mercato IA sia in quello delle comunicazioni ottiche.

Per quanto riguarda le performance di mercato di Coherent, sta vivendo un momento rialzista, simile all’ampio mercato azionario. Con un +29,16 % finora quest’anno, le azioni COHR sono attualmente quotate a $123,70, al momento della stesura – un nuovo massimo storico (ATH) che porta la capitalizzazione di mercato a $19,20 miliardi.

Ad aprile, le azioni COHR erano scese a $50 a causa di una correzione del mercato azionario, e da allora, le azioni di Coherent sono salite di circa il 146 %. E solo due anni fa, COHR era scambiata sotto i $30, rappresentando una forte ripresa.

Con ciò, l’azienda registra un EPS (TTM) di -0,62 e un P/E (TTM) di -198,72.

Per quanto riguarda la posizione finanziaria di Coherent, ha riportato un fatturato record di $1,53 miliardi per il quarto trimestre chiuso il 30 giugno 2025. Il margine lordo GAAP nel periodo è stato del 35,7 % e la perdita netta GAAP è stata di $0,83 per azione diluita, mentre su base non‑GAAP, il margine lordo è stato del 38,1 % e l’utile netto per azione diluita è stato di $1,00.

Per l’intero anno fiscale 2025, il fatturato è stato anch’esso un record di $5,81 miliardi. Il margine lordo GAAP è stato del 35,2 % e la perdita netta GAAP di $0,52 per azione diluita, mentre il margine lordo non‑GAAP è stato del 37,9 % e l’utile netto per azione diluita di $3,53.

According to CEO Jim Anderson:

“Abbiamo conseguito un solido FY 2025 con una crescita dei ricavi del 23 % e un’espansione dell’EPS non‑GAAP del 191 %. Riteniamo di essere ben posizionati per continuare a guidare una forte crescita di ricavi e profitti a lungo termine, data la nostra esposizione a driver chiave di crescita come i data center IA.”

Durante questo trimestre, l’azienda ha avviato le spedizioni dei suoi prodotti transceiver da 1,6 T, abilitando applicazioni IA ad alte prestazioni nei data center. È stato inoltre introdotto un nuovo materiale composito di diamante SiC per il raffreddamento avanzato di questi data center.

Inoltre, Coherent ha registrato il suo primo fatturato da Optical Circuit Switch (OCS) e ha introdotto la piattaforma laser excimer che è stata aggiornata per la produzione ad alta temperatura di nastri superconduttori per le emergenti tecnologie energetiche come la fusione. 

Nelle ultime settimane, Coherent ha lanciato diversi nuovi prodotti, tra cui un’intera serie di IC quad‑channel che consente transceiver ottici più efficienti e veloci per IA e cloud, la prima soluzione QSFP28 Dual Laser 100G ZR dell’industria per massimizzare la capacità delle infrastrutture in fibra esistenti, e laser a onda continua da 400 mW ad alta potenza per soddisfare i requisiti esigenti di ottica co‑packaged e applicazioni di fotonica su silicio.

Recentemente, Coherent ha dimostrato le sue prossime generazioni di array 2D VCSEL e fotodiodi (PD) per affrontare l’aumento del traffico dati nei moderni data center.

Un paio di settimane fa, Coherent ha stipulato modifiche, che includono il rifinanziamento degli impegni di credito rotativo esistenti e l’aumento del totale della struttura a $700 milioni, al suo Credit Agreement con JPMorgan Chase Bank (JPM ) e altri creditori, migliorando la liquidità e la flessibilità finanziaria dell’azienda per supportare operazioni e crescita.

Conclusione

La Columbia University ha realizzato un traguardo ingegneristico, dimostrando come momenti inattesi nella scienza possano condurre a scoperte ancora più grandi e migliori grazie alla capacità di ridefinire interi campi. Trasformando un singolo fascio disordinato in decine di canali luminosi potenti e stabili, il team ha posto le basi per la prossima generazione di sistemi ottici.

Dalla rivoluzione del LiDAR e la miniaturizzazione dei dispositivi quantistici al potenziamento della capacità dei data center guidati dall’IA, questa tecnologia rappresenta un salto significativo nell’integrazione fotonica. E mentre il mondo avanza verso sistemi di comunicazione più rapidi ed efficienti dal punto di vista energetico, i chip comb di frequenza compatti potrebbero costituire la base dell’infrastruttura informatica del futuro.

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Riferimenti

1. Gil‑Molina, A., Antman, Y., Westreich, O., et al. (2025). High‑power electrically pumped microcombs. Nature Photonics, 19(10), 873–879. Pubblicato 7 ottobre 2025. https://doi.org/10.1038/s41566-025-01769-z

I ricercatori della Columbia Engineering hanno creato un nuovo chip in grado di trasformare un laser in un “comb di frequenza”, generando più canali luminosi potenti contemporaneamente.

Utilizzando un meccanismo di blocco speciale, i ricercatori hanno pulito la luce laser caotica e hanno raggiunto una precisione di livello laboratoriale su un piccolo dispositivo in silicio. Questo risultato può migliorare significativamente l’efficienza dei data center e stimolare innovazioni in LiDAR, sensori e tecnologia quantistica.

I Microcomb Ridimensionano la Precisione di Livello Laboratorio su un Chip 

I ricercatori hanno creato il dispositivo microcomb ad alta potenza per migliorare la tecnologia LiDAR (Light Detection and Ranging).

LiDAR è una tecnologia di telerilevamento che utilizza impulsi laser per calcolare distanze e creare modelli 3D ad alta risoluzione dell’ambiente. Funziona come il radar, ma utilizza la luce anziché il suono.

Il sistema emette impulsi laser e misura il tempo di ritorno per determinare distanze precise dagli oggetti e tracciare i movimenti in tempo reale.

Composto da un laser, uno scanner e un ricevitore GPS specializzato, uno strumento LiDAR genera una dettagliata “nuvola di punti” di dati, che viene poi usata per creare mappe 3D per applicazioni come la guida autonoma, il monitoraggio ambientale, il rilievo e l’archeologia.

La tecnologia è stata inventata negli anni ’60, inizialmente applicata alla meteorologia, al rilevamento oceanico e alla mappatura topografica, prima di essere estesa allo spazio dalla NASA. Negli anni 2010 le automobili commerciali hanno iniziato a utilizzare il LiDAR e, da allora, il LiDAR automobilistico è diventato molto popolare nelle auto elettriche di fascia alta.

Dato il crescente impiego del LiDAR, i ricercatori hanno lavorato costantemente per migliorare la tecnologia. Molte innovazioni entusiasmanti delle tecnologie laser sono integrate con ottiche avanzate, consentendo una ulteriore miniaturizzazione e promettendo un futuro a lungo termine per i sistemi LiDAR.

L’obiettivo dei ricercatori della Columbia University School of Engineering and Applied Science era trovare un modo per sbloccare maggiore potenza e purezza spettrale da sistemi laser compatti per abilitare la generazione di comb di frequenza su scala chip per migliorare le comunicazioni, il sensing, la spettroscopia, il LiDAR e altre applicazioni fotoniche integrate.

Così, hanno creato un microcomb, un dispositivo fotonico miniaturizzato che produce una serie di frequenze ottiche equidistanti, simili ai denti di un pettine, su un chip.

Questi microcomb di frequenza miniaturizzati integrati hanno il potenziale di ridurre le dimensioni dei sistemi complessi tradizionalmente richiesti per tali applicazioni. Pertanto, i microcomb integrati sono promettenti per numerose applicazioni che richiedono alta potenza in uscita, ingombro ridotto e alta efficienza, come spettroscopia, sensing e comunicazioni dati.

Recentemente, i ricercatori hanno dimostrato microcomb pompati elettricamente attraverso l’integrazione di chip di guadagno (elementi ottici a semiconduttore) con risonatori di alta qualità. Tuttavia, la loro potenza ottica complessiva è ancora molto inferiore a quella necessaria per soluzioni pratiche.

Questa limitazione è stata affrontata dai ricercatori di Columbia che hanno dimostrato microcomb Kerr ad alta potenza pompati elettricamente. 

Da Diodi “Disordinati” a Microcomb Puliti

Curiosamente, questa è stata una scoperta accidentale. Qualche anno fa, i ricercatori nel laboratorio del co‑autore Michal Lipson, un Professore Eugene Higgins di Ingegneria Elettrica e professore di fisica applicata, stavano lavorando a un progetto per migliorare le capacità del LiDAR quando notarono qualcosa di incredibile.

Stavano progettando chip ad alta potenza in grado di generare fasci di luce più brillanti, e “man mano che inviavo più e più potenza attraverso il chip, notavamo che stava creando quello che chiamiamo un comb di frequenza,” ha detto Andres Gil‑Molina, ex ricercatore post‑doc nel laboratorio di Lipson e attualmente ingegnere principale presso Xscape Photonics.

Un comb di frequenza è uno spettro composto da linee spettrali discrete e regolarmente distanziate. Ciò significa che questo tipo speciale di luce contiene diversi colori allineati uno accanto all’altro in modo ordinato, come si vede in un arcobaleno.

Qui, decine di frequenze luminose brillano. Ma gli spazi tra questi diversi colori o frequenze rimangono scuri. Quindi, osservando queste diverse frequenze luminose su uno spettrogramma, appaiono come picchi o denti di un pettine, da qui il nome.

Poiché i diversi colori di luce non interferiscono tra loro, ogni dente agisce come un proprio canale, offrendo un’opportunità incredibile di inviare più flussi di dati simultaneamente.

Pur essendo estremamente vantaggioso, creare un comb di frequenza potente richiede laser e amplificatori grandi e costosi. 

Pubblicato su Nature Photonics¹, il documento dettaglia come lo stesso risultato possa essere ottenuto su un singolo chip. 

“La tecnologia che abbiamo sviluppato prende un laser molto potente e lo trasforma in decine di canali puliti e ad alta potenza su un chip. Ciò significa che è possibile sostituire interi rack di laser individuali con un unico dispositivo compatto, riducendo i costi, risparmiando spazio e aprendo la porta a sistemi molto più veloci ed efficienti dal punto di vista energetico.”

– Gil‑Molina

Non solo questa ricerca può soddisfare la enorme domanda creata dai data center per sorgenti luminose potenti ed efficienti contenenti molte lunghezze d’onda, ma segna anche una pietra miliare nella missione del team di avanzare la fotonica su silicio.

Conosciuta per consentire trasferimenti di dati significativamente più rapidi consumando meno energia e generando meno calore rispetto ai circuiti elettronici tradizionali, la fotonica su silicio ha trovato applicazioni in data center ad alta velocità, IA, LiDAR, tecnologie quantistiche, IoT e 5G.

La fotonica su silicio integra componenti basati sulla luce su un chip di silicio usando i processi di fabbricazione CMOS standard per creare circuiti fotonici integrati (PIC). Utilizza wafer silicon‑on‑insulator (SOI) come piattaforma semiconduttrice per formare guide d’onda e altri componenti che guidano la luce per comunicazioni più rapide, più efficienti dal punto di vista energetico e dispositivi più piccoli e a minor costo.

“Man mano che questa tecnologia diventa sempre più centrale per le infrastrutture critiche e la nostra vita quotidiana, questo tipo di progresso è essenziale per garantire che i data center siano il più efficienti possibile.”

– Lipson

Come il Self‑Injection Locking Pulisce e Moltiplica la Luce

Qual è il laser più potente che può essere integrato su un chip? Questa domanda ha guidato i ricercatori verso la loro scoperta.

Il team di Columbia ha scelto un diodo laser multimodale. Un diode laser (LD) è un dispositivo semiconduttore che produce luce monocromatica a una lunghezza d’onda specifica. I diodi laser multimodali, o Broad Area Lasers (BAL), forniscono uscite di potenza più elevate e sono ideali quando è richiesta alta potenza ottica e la qualità del fascio è meno critica.

Questi dispositivi producono un fascio più ampio, il che riduce la qualità del fascio ma aumenta la densità di potenza. I diodi laser multimodali sono ampiamente usati in applicazioni quali dispositivi medici, stampa e imaging, e strumenti di taglio laser. 

Pur producendo enormi quantità di luce, il fascio di questi laser è “disordinato”, rendendo difficile il loro utilizzo per applicazioni precise. 

Integrare un diodo laser multimodale in un chip di fotonica su silicio, dove i percorsi luminosi sono larghi solo come pochi micrometri (μm) o anche centinaia di nanometri (nm), richiede una progettazione accurata.

Per purificare questa sorgente luminosa potente ma molto rumorosa, il team ha impiegato un meccanismo di blocco.

Il self‑injection locking è stato impiegato nel regime non lineare per generare comb ad alta potenza su chip e purificare contemporaneamente la coerenza della sorgente di pompaggio.

L’injection locking è l’effetto di frequenza che può verificarsi quando un oscillatore è perturbato da un secondo oscillatore che opera a una frequenza vicina. Quando le frequenze sono sufficientemente vicine e il accoppiamento è forte, il secondo oscillatore può catturare il primo, facendolo oscillare praticamente alla stessa frequenza del secondo.

Questa tecnica è principalmente applicata a sorgenti laser a singola frequenza a onda continua (CW) quando è richiesta un’alta potenza in uscita, combinata con un rumore di intensità e di fase molto basso.

Si basa sulla fotonica su silicio per rimodellare e pulire l’uscita del laser, generando un fascio più stabile e pulito, definito alta coerenza. Una volta purificata la luce, le proprietà ottiche non lineari del chip entrano in gioco, dividendo il fascio potente unico in decine di colori equidistanti, caratteristica chiave di un comb di frequenza.

La sorgente luminosa compatta ed efficiente combina la potenza grezza di un laser industriale con la stabilità e precisione richieste per comunicazioni e sensing avanzati.

La sorgente a bassa coerenza è stata integrata con alta potenza in uscita e risonatori ad anello in nitruro di silicio. I risonatori sono progettati con dispersione di velocità di gruppo normale, il che significa che la velocità diminuisce all’aumentare della frequenza ottica. Ciò avviene quando le lunghezze d’onda più lunghe viaggiano più velocemente di quelle più corte in un mezzo, facendo allungare gli impulsi ottici nel tempo.

I microcomb creati dal team hanno raggiunto livelli di potenza totale su chip fino a 158 mW. Le linee del comb, nel frattempo, presentavano una larghezza di linea intrinseca di 200 kHz. I ricercatori hanno inoltre mostrato più del doppio del numero di linee del comb superando i 100 μW e un ordine di grandezza superiore nei livelli di potenza su chip rispetto a qualsiasi risultato precedentemente riportato.

Researchers said:

“Il nostro nuovo microcomb pompato elettricamente ha le dimensioni, la potenza e la larghezza di linea richieste per le comunicazioni dati, e potrebbe avere un forte impatto in altri settori come l’alta‑performance computing e i dispositivi ubiqui per il sensing spettrale e le applicazioni di cronometria.” 

La svolta arriva in un momento in cui il boom dell’IA sta provocando un’esplosiva crescita della domanda di capacità nei data center. Questo sta mettendo sotto pressione le loro infrastrutture, che faticano a spostare le informazioni rapidamente. Di conseguenza, le aziende stanno costruendo infrastrutture specializzate per l’IA per gestire i massicci requisiti computazionali per l’addestramento e l’esecuzione di grandi modelli IA. 

Già oggi, i collegamenti in fibra ottica vengono utilizzati da data center avanzati per trasportare dati, ma anche questi dipendono da laser a singola lunghezza d’onda.

Avendo decine di fasci che operano in parallelo attraverso la stessa fibra singola, invece di un unico fascio che trasporta un solo flusso di dati, i comb di frequenza possono migliorare drasticamente le capacità dei data center.

Questo stesso principio è alla base del WDM, o multiplexing a divisione di lunghezza d’onda, una tecnologia in fibra ottica che invia più flussi di dati simultaneamente su una singola fibra ottica assegnando a ciascun flusso una lunghezza d’onda unica, aumentando significativamente la capacità di dati e  consentendo una larghezza di banda più elevata. Il WDM ha contribuito a trasformare Internet in una rete globale ad alta velocità alla fine degli anni ’90.

Ora, il team di Lipson sta realizzando comb ad alta potenza e multicolore così piccoli da poter essere integrati direttamente su un chip. Questo risultato renderà possibile introdurre questa capacità in quelle parti dei moderni sistemi informatici che sono compatte ed expensive.

In questo modo, i chip possono cambiare il modo in cui i data center operano, semplificando il modo in cui le informazioni vengono trasmesse e elaborate, influenzando il design dei data center di nuova generazione e molti altri dispositivi che dipendono da comunicazioni ottiche efficienti. Gli stessi chip potrebbero anche abilitare sistemi LiDAR avanzati, dispositivi quantistici compatti, orologi ottici estremamente precisi e spettrometri portatili.

“Si tratta di portare sorgenti luminose di livello laboratoriale in dispositivi del mondo reale. Se riesci a renderle potenti, efficienti e sufficientemente piccole, puoi metterle quasi ovunque.”

– Gil‑Molina

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Investire nella Tecnologia Laser

Un leader globale nella fotonica e nelle tecnologie laser, Coherent Corp. (COHR ) produce diode laser a semiconduttore e componenti ottici ad alte prestazioni.

Con il suo core business incentrato sullo sviluppo e la produzione di soluzioni basate sulla fotonica, critiche nell’era attuale di calcolo avanzato e trasmissione dati, Coherent si è affermata come forza dominante nell’industria delle comunicazioni ottiche e detiene una forte quota di mercato. 

I suoi segmenti includono Networking, che sfrutta la tecnologia a semiconduttori composti per fornire componenti e sottosistemi; Materials, che comprende dispositivi optoelettronici basati su carburo di silicio (SiC), antimonio di gallio (GaSb), arsenico di gallio (GaAs), fosfuro di indio (InP), seleniuro di zinco (ZnSe) e solfuro di zinco (ZnS); e il segmento Lasers, che serve clienti industriali nei settori dei semiconduttori, della produzione di precisione, dell’aerospazio e della difesa, tra gli altri, tramite i suoi prodotti laser e ottici.

Coherent Corp. (COHR )

Con la sua ampia gamma di prodotti innovativi basati sulla fotonica, Coherent è in grado di offrire soluzioni personalizzate end‑to‑end ai clienti e di soddisfare le esigenze di scalabilità dell’infrastruttura IA.

Il suo focus strategico sul mercato IA posiziona Coherent come potenziale grande beneficiario della crescita continua dell’IA. Questo si aggiunge alla crescente domanda di componenti ottici ad alte prestazioni. Tuttavia, allo stesso tempo, l’azienda affronta sfide dovute alla crescente concorrenza sia nel mercato IA sia in quello delle comunicazioni ottiche.

Per quanto riguarda le performance di mercato di Coherent, sta vivendo un momento rialzista, simile all’ampio mercato azionario. Con un +29,16 % finora quest’anno, le azioni COHR sono attualmente quotate a $123,70, al momento della stesura – un nuovo massimo storico (ATH) che porta la capitalizzazione di mercato a $19,20 miliardi.

Ad aprile, le azioni COHR erano scese a $50 a causa di una correzione del mercato azionario, e da allora, le azioni di Coherent sono salite di circa il 146 %. E solo due anni fa, COHR era scambiata sotto i $30, rappresentando una forte ripresa.

Con ciò, l’azienda registra un EPS (TTM) di -0,62 e un P/E (TTM) di -198,72.

Per quanto riguarda la posizione finanziaria di Coherent, ha riportato un fatturato record di $1,53 miliardi per il quarto trimestre chiuso il 30 giugno 2025. Il margine lordo GAAP nel periodo è stato del 35,7 % e la perdita netta GAAP è stata di $0,83 per azione diluita, mentre su base non‑GAAP, il margine lordo è stato del 38,1 % e l’utile netto per azione diluita è stato di $1,00.

Per l’intero anno fiscale 2025, il fatturato è stato anch’esso un record di $5,81 miliardi. Il margine lordo GAAP è stato del 35,2 % e la perdita netta GAAP di $0,52 per azione diluita, mentre il margine lordo non‑GAAP è stato del 37,9 % e l’utile netto per azione diluita di $3,53.

According to CEO Jim Anderson:

“Abbiamo conseguito un solido FY 2025 con una crescita dei ricavi del 23 % e un’espansione dell’EPS non‑GAAP del 191 %. Riteniamo di essere ben posizionati per continuare a guidare una forte crescita di ricavi e profitti a lungo termine, data la nostra esposizione a driver chiave di crescita come i data center IA.”

Durante questo trimestre, l’azienda ha avviato le spedizioni dei suoi prodotti transceiver da 1,6 T, abilitando applicazioni IA ad alte prestazioni nei data center. È stato inoltre introdotto un nuovo materiale composito di diamante SiC per il raffreddamento avanzato di questi data center.

Inoltre, Coherent ha registrato il suo primo fatturato da Optical Circuit Switch (OCS) e ha introdotto la piattaforma laser excimer che è stata aggiornata per la produzione ad alta temperatura di nastri superconduttori per le emergenti tecnologie energetiche come la fusione. 

Nelle ultime settimane, Coherent ha lanciato diversi nuovi prodotti, tra cui un’intera serie di IC quad‑channel che consente transceiver ottici più efficienti e veloci per IA e cloud, la prima soluzione QSFP28 Dual Laser 100G ZR dell’industria per massimizzare la capacità delle infrastrutture in fibra esistenti, e laser a onda continua da 400 mW ad alta potenza per soddisfare i requisiti esigenti di ottica co‑packaged e applicazioni di fotonica su silicio.

Recentemente, Coherent ha dimostrato le sue prossime generazioni di array 2D VCSEL e fotodiodi (PD) per affrontare l’aumento del traffico dati nei moderni data center.

Un paio di settimane fa, Coherent ha stipulato modifiche, che includono il rifinanziamento degli impegni di credito rotativo esistenti e l’aumento del totale della struttura a $700 milioni, al suo Credit Agreement con JPMorgan Chase Bank (JPM ) e altri creditori, migliorando la liquidità e la flessibilità finanziaria dell’azienda per supportare operazioni e crescita.

Conclusione

La Columbia University ha realizzato un traguardo ingegneristico, dimostrando come momenti inattesi nella scienza possano condurre a scoperte ancora più grandi e migliori grazie alla capacità di ridefinire interi campi. Trasformando un singolo fascio disordinato in decine di canali luminosi potenti e stabili, il team ha posto le basi per la prossima generazione di sistemi ottici.

Dalla rivoluzione del LiDAR e la miniaturizzazione dei dispositivi quantistici al potenziamento della capacità dei data center guidati dall’IA, questa tecnologia rappresenta un salto significativo nell’integrazione fotonica. E mentre il mondo avanza verso sistemi di comunicazione più rapidi ed efficienti dal punto di vista energetico, i chip comb di frequenza compatti potrebbero costituire la base dell’infrastruttura informatica del futuro.

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Riferimenti

1. Gil‑Molina, A., Antman, Y., Westreich, O., et al. (2025). High‑power electrically pumped microcombs. Nature Photonics, 19(10), 873–879. Pubblicato 7 ottobre 2025. https://doi.org/10.1038/s41566-025-01769-z