Один луч – десятки каналов. Новый оптический чип с дуговым светом преодолевает физический предел скорости передачи данных
«Мы искали способ улучшить автопилот и создали оружие против Интернета», Университет Колумбии.
Исследователи Колумбийского университета представили оптический чип, способный значительно ускорить передачу данных. Разработка решает одну из главных проблем современной цифровой инфраструктуры — недостаток пропускной способности на фоне быстрого роста информации, вызванного развитием систем искусственного интеллекта. Даже самые современные оптические линии сегодня часто достигают границ своих возможностей: в большинстве дата-центров до сих пор используются лазеры одной длины волны, способные передавать по каждому волокну только один поток.
Команда под руководством Михала Липсона нашла способ устранить это ограничение. Ученые создали чип, который генерирует так называемые «частотные гребенки» — источники света, состоящие из множества равномерно расположенных длин волн. Каждый из этих «зубов» представляет собой разную частоту, с которой можно передавать собственный поток информации. Таким образом, одно оптическое волокно способно передавать десятки независимых сигналов без взаимных помех.
Несколько лет назад пропавшая группа занималась не телекоммуникациями, а усовершенствованием лидарных систем, используемых в автономных транспортных средствах. При тестировании мощных микрочипов, создающих яркие лазерные импульсы, исследователи заметили неожиданное явление: По мере увеличения мощности излучение самопроизвольно перестраивается в ряд стабильных частот, образуя оптический гребень. Это наблюдение стало отправной точкой для разработки нового типа передающих устройств.
Раньше для генерации таких частотных структур требовались громоздкие и дорогие лазерные комплексы, занимавшие целые полки в лабораториях и центрах обработки данных. Новый чип выполняет ту же задачу в миниатюрном формате: преобразует мощный лазерный источник в десятки стабильных каналов, каждый из которых работает независимо. Это решение снижает затраты, экономит пространство и увеличивает скорость передачи данных при меньшем потреблении энергии.
Проект является еще одним шагом в развитии кремниевой фотоники — области, в которой для обработки информации вместо электрических сигналов используется свет. По словам Липсона, такие технологии становятся основой современной цифровой инфраструктуры, и их совершенствование напрямую влияет на эффективность центров обработки данных по всему миру.
Работа начинается с простого вопроса: «Какой самый мощный лазер можно разместить на микрочипе?«. Исследователи выбирают мультимодовый лазерный диод, широко используемый в медицинских и промышленных устройствах. Он способен создавать сильный световой поток, но обычно дает нестабильный и трудноуправляемый луч. Для интеграции такого «шумного» источника команда разрабатывает специальный механизм синхронизации, а также фильтр и фильтр. Усиление когерентности.
После стабилизации свет естественным образом разделяется на кристаллическую структуру из равномерно расположенных спектральных линий, образующих компактную гребенку частот. Полученный источник сочетает в себе мощность промышленного лазера с научной точностью и способен создавать широкий спектр каналов размером всего в несколько миллиметров.
Появление этой технологии оказалось чрезвычайно своевременным. Поскольку вычислительная мощность систем искусственного интеллекта увеличивается в геометрической прогрессии, объем передаваемых данных увеличивается, и центры обработки данных сталкиваются с проблемой разрешения мощности и памяти. Гребенка частот позволяет одновременно передавать несколько потоков по одному волокну, устраняя тем самым узкие области в сети и уменьшая задержку.
Миниатюризация этих источников открывает путь не только к более быстрым каналам связи, но и к новые направления в электроникеS Эту же технологию можно использовать в портативных спектрометрах, квантовых устройствах, оптических часах и лидарных системах следующего поколения. Как отмечают авторы, их цель — вывести лабораторные источники света на уровень повседневных решений: сделать их компактными, надежными и энергоэффективными, чтобы их можно было использовать повсюду — от серверных шкафов до автономных дронов и научных приборов.
