Несколько лет назад исследователи в лаборатории Михала Липсона заметили нечто примечательное
Учёные работали над проектом по улучшению LiDAR — технологии, которая использует световые волны для измерения расстояния. В лаборатории разрабатывали мощные чипы, способные создавать более яркие световые лучи.
«Когда мы пропускали через чип всё больше и больше энергии, мы заметили, что он создаёт то, что мы называем частотной гребенкой», — рассказывает Андрес Хиль-Молина, бывший научный сотрудник лаборатории Липсона.
Частотная гребенка — это особый тип света, содержащий множество цветов, расположенных рядом друг с другом в упорядоченном порядке, наподобие радуги. Десятки цветов — или частот света — ярко сияют, в то время как промежутки между ними остаются тёмными.
Если посмотреть на частотную гребёнку на спектрограмме, эти яркие частоты будут выглядеть как пики или зубцы на гребёнке. Это даёт огромную возможность отправлять десятки потоков данных одновременно. Поскольку разные цвета света не мешают друг другу, каждый зубец действует как отдельный канал.
Сегодня создание мощной частотной гребёнки требует больших и дорогих лазеров и усилителей. В своей новой статье в журнале Nature Photonics Липсон, профессор электротехники и прикладной физики, и её коллеги показывают, как сделать то же самое на одном чипе.
«Центры обработки данных создали огромный спрос на мощные и эффективные источники света, содержащие множество длин волн», — говорит Хиль-Молина, который сейчас является главным инженером в Xscape Photonics.
Технология, разработанная командой, берёт очень мощный лазер и превращает его в десятки чистых, мощных каналов на чипе. Это означает, что можно заменить стойки отдельных лазеров одним компактным устройством, сокращая расходы, экономя место и открывая возможности для более быстрых и энергоэффективных систем.
«Этот прорыв начался с простого вопроса: какой самый мощный лазер мы можем поместить на чип?» — говорится в статье.
Команда выбрала тип, называемый мультимодовым лазерным диодом, который широко используется в таких приложениях, как медицинские устройства и инструменты для лазерной резки. Эти лазеры могут производить огромное количество света, но луч «грязный», что затрудняет их использование для точных приложений.
Интеграция такого лазера в чип из кремниевой фотоники, где световые пути имеют ширину всего в несколько микрон — даже сотни нанометров, — потребовала тщательной инженерной разработки.
«Мы использовали так называемый механизм блокировки, чтобы очистить этот мощный, но очень шумный источник света», — говорит Хиль-Молина.
Метод основан на использовании кремниевой фотоники для изменения формы и очистки выходного сигнала лазера, создавая гораздо более чистый и стабильный луч — свойство, которое учёные называют высокой когерентностью.
После очистки света нелинейные оптические свойства чипа берут верх, разделяя один мощный луч на десятки равномерно расположенных цветов — определяющая черта частотной гребёнки.
В результате получается компактный, высокоэффективный источник света, который сочетает в себе необузданную мощность промышленного лазера с точностью и стабильностью, необходимыми для передовых систем связи и зондирования.
Время для этого прорыва выбрано не случайно. В условиях взрывного роста искусственного интеллекта инфраструктура внутри центров обработки данных испытывает нагрузку, пытаясь перемещать информацию достаточно быстро, например, между процессорами и памятью. Современные центры обработки данных уже используют волоконно-оптические линии для передачи данных, но большинство из них по-прежнему полагаются на одноволновые лазеры.
Частотные гребёнки меняют ситуацию. Вместо того чтобы один луч нёс один поток данных, десятки лучей могут работать параллельно по одному волокну. Это принцип мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM) — технологии, которая превратила интернет в глобальную высокоскоростную сеть в конце 1990-х годов.
Сделав мощные многоволновые гребенки достаточно маленькими, чтобы они помещались непосредственно на чипе, команда Липсона сделала возможным внедрение этой возможности в наиболее компактные и экономичные части современных вычислительных систем.
Помимо центров обработки данных, те же чипы могут использоваться для портативных спектрометров, сверхточных оптических часов, компактных квантовых устройств и даже усовершенствованных систем LiDAR.
«Речь идёт о том, чтобы внедрить лабораторные источники света в реальные устройства», — говорит Хиль-Молина. «Если вы сможете сделать их мощными, эффективными и достаточно маленькими, вы сможете разместить их практически где угодно».
paper in Nature Photonics, Lipson, Eugene Higgins Professor of Electrical Engineering and professor of Applied Physics, and her collaborators show how to do the same thing on a single chip.»,»\»Data centers have created tremendous demand for powerful and efficient sources of light that contain many wavelengths,\» says Gil-Molina, who is now a principal engineer at Xscape Photonics.»,»\»The technology we’ve developed takes a very powerful laser and turns it into dozens of clean, high-power channels on a chip. That means you can replace racks of individual lasers with one compact device, cutting cost, saving space, and opening the door to much faster, more energy-efficient systems.\»»,»\»This research marks another milestone in our mission to advance silicon photonics,\» Lipson said. \»As this technology becomes increasingly central to critical infrastructure and our daily lives, this type of progress is essential to ensuring that data centers are as efficient as possible.\»»,»The breakthrough started with a simple question: What’s the most powerful laser we can put on a chip?»,»The team chose a type called a multimode laser diode, which is used widely in applications like medical devices and laser cutting tools. These lasers can produce enormous amounts of light, but the beam is \»messy,\» which makes it hard to use for precise applications.»,»Integrating such a laser into a silicon photonics chip, where the light pathways are just a few microns—even hundreds of nanometers—wide, required careful engineering.»,»\»We used something called a locking mechanism to purify this powerful but very noisy source of light,\» Gil-Molina says.»,»The method relies on silicon photonics to reshape and clean up the laser’s output, producing a much cleaner, more stable beam, a property scientists call high coherence.»,»Once the light is purified, the chip’s nonlinear optical properties take over, splitting that single powerful beam into dozens of evenly spaced colors, a defining feature of a frequency comb.»,»The result is a compact, high-efficiency light source that combines the raw power of an industrial laser with the precision and stability needed for advanced communications and sensing.»,»The timing for this breakthrough is no accident. With the explosive growth of artificial intelligence, the infrastructure inside data centers is straining to move information fast enough, for example, between processors and memory. State-of-the-art data centers are already using fiber optic links to transport data, but most of these still rely on single-wavelength lasers.»,»Frequency combs change that. Instead of one beam carrying one data stream, dozens of beams can run in parallel through the same fiber. That’s the principle behind wavelength-division multiplexing (WDM), the technology that turned the internet into a global high-speed network in the late 1990s.»,»By making high-power, multi-wavelength combs small enough to fit directly on a chip, Lipson’s team has made it possible to bring this capability into the most compact, cost-sensitive parts of modern computing systems.»,»Beyond data centers, the same chips could enable portable spectrometers, ultra-precise optical clocks, compact quantum devices, and even advanced LiDAR systems.»,»\»This is about bringing lab-grade light sources into real-world devices,\» says Gil-Molina. \»If you can make them powerful, efficient, and small enough, you can put them almost anywhere.\»»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tColumbia University School of Engineering and Applied Science\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Optics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник