Случайное открытие: «Радуга на чипе» обещает революцию в энергоэффективности центров обработки данных

Инженеры случайно разработали новый фотонный чип, который генерирует «радугу» лазерных лучей (так называемый частотный гребень) и может значительно повысить скорость и эффективность центров обработки данных, облегчая растущую нагрузку, связанную с потребностями искусственного интеллекта (ИИ). Эта технология позволяет передавать несколько потоков данных параллельно по одному оптическому каналу, сообщает издание, ссылаясь на публикацию в журнале Nature Photonics.

Несчастный случай в лаборатории побудил инженеров создать чип, который испускает радугу мощных лазерных лучей. Новый фотонный чип сочетает промышленный лазерный источник с точно спроектированной оптической схемой, которая формирует и стабилизирует свет, а затем разделяет его на множество равномерно распределённых цветов. Поскольку каждая цветовая полоса представляет собой оптическую частоту, способную переносить свой собственный уникальный поток данных, эта технология потенциально может позволить центрам обработки данных передавать информацию гораздо быстрее и эффективнее, чем существующие оптические сети, например, оптоволокно, которые используют для передачи данных одноволновые лазерные импульсы.

Создание этого «эффекта радуги», который в науке называется частотной гребёнкой, обычно требует использования большого и дорогостоящего оборудования — лазеров и усилителей. Однако исследователи наткнулись на способ уместить эту мощную фотонную технологию в один миниатюрный чип. Это произошло во время работы над усовершенствованием технологии лидаров (обнаружения света и измерения дальности), которая использует лазерные импульсы для измерения расстояния. Пытаясь создать более мощные лазеры для получения данных с большего расстояния, команда неожиданно заметила, что чип разделяет свет на несколько цветов.

Частотная гребёнка — это тип лазерного излучения, состоящий из нескольких цветов, или частот, которые равномерно распределены по оптическому спектру. В спектрограмме они выглядят как пики, напоминающие зубья гребня. Вершина каждого такого «зубца» представляет собой стабильную, точно определённую длину волны, которая может независимо переносить информацию. Поскольку длины волн синхронизированы по частоте и фазе, они не мешают друг другу, что позволяет передавать несколько потоков данных параллельно по одному оптическому каналу, например, по оптоволоконному кабелю.

Случайно обнаружив этот эффект, учёные разработали метод его намеренного и контролируемого воспроизведения. Они реализовали эту технологию в кремниевом чипе, где свет проходит по волноводам шириной всего несколько микрометров (что примерно в сто раз тоньше человеческого волоса). Группа опубликовала свои результаты 7 октября в журнале Nature Photonics. Исследователи считают этот прорыв особенно важным в условиях, когда ИИ всё сильнее нагружает инфраструктуру центров обработки данных.

«Центры обработки данных создали огромный спрос на мощные и эффективные источники света, содержащие множество длин волн, — заявил Андрес Хиль-Молина, соавтор исследования, главный инженер Xscape Photonics и бывший научный сотрудник Columbia Engineering. — Разработанная нами технология использует очень мощный лазер и превращает его в десятки чистых, высокопроизводительных каналов на одном кристалле. Это означает, что вы можете заменить стойки отдельных лазеров одним компактным устройством, что сокращает расходы, экономит место и открывает путь к гораздо более быстрым и энергоэффективным системам».

Для создания частотной гребёнки на чипе исследователям нужно было найти мощный лазер, который можно было бы разместить в компактной фотонной схеме. Они остановились на многомодовом лазерном диоде, широко используемом в медицинских приборах и лазерных режущих инструментах. Исследователи отметили, что многомодовые лазерные диоды могут генерировать мощные лучи, однако этот луч «грязный». Поэтому учёным необходимо было «очистить» и стабилизировать свет, чтобы сделать его пригодным для использования. Это было достигнуто с помощью технологии самоинжекции, которая включает интеграцию резонаторов в чип, возвращающих небольшую часть света обратно в лазер. Это фильтрует и стабилизирует свет, в результате чего получается мощный и высокостабильный луч. После стабилизации чип расщепляет лазерный луч на разноцветную частотную гребёнку.

Учёные добавили, что в результате получилось небольшое, но эффективное фотонное устройство, сочетающее мощность промышленного лазера с точностью, необходимой для передачи данных и датчиков. Помимо центров обработки данных, новый чип может использоваться в портативных спектрометрах, сверхточных оптических часах, компактных квантовых устройствах и современных лидарных системах.

«Речь идёт о внедрении лабораторных источников света в реальные устройства, — подытожил Хиль-Молина.— Если сделать их мощными, эффективными и достаточно компактными, их можно будет разместить практически где угодно».

Источник: Nature Photonics

#ИИ #ФотонныйЧип #ЦентрыОбработкиДанных #Оптика #Технологии