Jeden chip, dziesiątki laserów. Przełom w fotonice, który napędzi centra danych i AI

Czym jest „grzebień częstotliwości”?

Kluczowym elementem tego odkrycia jest tzw. grzebień częstotliwości. To szczególny rodzaj światła, który składa się z wielu precyzyjnie rozmieszczonych długości fal. Na wykresie widma wyglądają one jak zęby grzebienia – jasne piki oddzielone ciemnymi przerwami.

Każda z tych fal może przenosić własny strumień danych, nie zakłócając pozostałych. W praktyce oznacza to możliwość jednoczesnego przesyłania wielu informacji jednym światłowodem – szybko, stabilnie i z ogromną przepustowością.

Do tej pory generowanie takiego światła wymagało dużych, drogich i energochłonnych laserów. Teraz po raz pierwszy udało się zmieścić tę technologię na jednym chipie krzemowym.

Od „chaotycznego” lasera do idealnej precyzji

Punktem wyjścia badań był laser diodowy wielomodowy – urządzenie powszechnie stosowane w medycynie czy przemyśle. Choć bardzo mocne, takie lasery emitują światło o niskiej jakości, zbyt „chaotyczne” do precyzyjnych zastosowań.

Zespół prof. Michal Lipson opracował jednak sprytny sposób na „oczyszczenie” tej wiązki. Dzięki zaawansowanej fotonice krzemowej i specjalnemu mechanizmowi stabilizacji światło zostało uporządkowane i stało się wysoce koherentne, czyli idealnie zsynchronizowane.

Następnie wykorzystano nieliniowe właściwości optyczne chipu, aby rozdzielić jedną silną wiązkę na dziesiątki równomiernie rozmieszczonych długości fal. Tak powstało kompaktowe, wydajne źródło światła o parametrach dotąd zarezerwowanych dla laboratoriów badawczych.

Dlaczego centra danych czekają na takie rozwiązanie?

Rozwój sztucznej inteligencji sprawił, że centra danych muszą przesyłać coraz większe ilości informacji – szczególnie między procesorami a pamięcią. Choć dane są już transportowane światłowodami, większość systemów nadal korzysta z laserów emitujących tylko jedną długość fali.

Grzebienie częstotliwości zmieniają reguły gry. Zamiast jednego kanału transmisji otrzymujemy ich kilkadziesiąt – w tym samym światłowodzie. To zasada działania multipleksacji falowej (WDM), która kiedyś zrewolucjonizowała internet, a teraz może zrewolucjonizować infrastrukturę obliczeniową.

Dzięki miniaturyzacji tej technologii możliwe staje się zastąpienie całych szaf pełnych laserów jednym niewielkim chipem. Efekt? Niższe koszty, mniejsze zużycie energii i znacznie większa wydajność.

Nie tylko serwerownie

Potencjalne zastosowania nowego chipu sięgają znacznie dalej niż centra danych. Ta sama technologia może znaleźć zastosowanie w:

• przenośnych spektrometrach chemicznych,
• ultraprecyzyjnych zegarach optycznych,
• kompaktowych urządzeniach kwantowych,
• nowej generacji systemów LiDAR,
• zaawansowanych czujnikach środowiskowych i medycznych.

Innymi słowy: światło klasy laboratoryjnej może wkrótce trafić do urządzeń codziennego użytku.

Mały chip, wielka zmiana

Opracowanie wielokolorowego, wysokowydajnego lasera na jednym chipie to kolejny ważny krok w rozwoju fotoniki krzemowej – technologii, która coraz częściej staje się fundamentem nowoczesnej infrastruktury cyfrowej. Jak podkreślają autorzy badań, w świecie zależnym od danych, energii i szybkości przesyłu informacji takie innowacje nie są luksusem, lecz koniecznością.

Źródło: Columbia Engineering

Dalszy ciąg materiału pod wideo