Новый фотонный чип, генерирующий многоцветные лазерные лучи, может значительно улучшить работу центров обработки данных и снизить нагрузку, вызванную растущими потребностями ИИ в данных.
В результате несчастного случая в лаборатории инженеры создали чип, который испускает радугу мощных лазерных лучей. Это может помочь центрам обработки данных лучше справляться с растущими объёмами искусственного интеллекта (ИИ).
Новый фотонный чип содержит лазерный источник промышленного класса в сочетании с точно спроектированной оптической схемой, которая формирует и стабилизирует свет перед его разделением на несколько равномерно распределённых цветов.
Поскольку каждый цветовой диапазон представляет собой оптическую частоту, которая может передавать собственный уникальный поток данных, эта технология позволяет центрам обработки данных передавать информацию гораздо быстрее и эффективнее, чем существующие оптические сети, такие как оптоволоконные, которые передают данные с помощью одноволновых лазерных импульсов.
Для создания этого радужного эффекта, называемого частотной гребенкой, обычно требуются большие и дорогие лазеры и усилители. Однако исследователи нашли способ уместить эту мощную фотонную технологию в один крошечный чип, когда работали над улучшением лидара (лазерного альтиметра) технологии.
Лидар использует лазерные импульсы для измерения расстояния на основе времени, которое требуется импульсам, чтобы достичь объекта и отразиться от него. Пытаясь создать более мощные лазеры, способные получать подробные данные с большего расстояния, команда заметила, что чип разделяет свет на несколько цветов.
Что такое частотная гребенка?
Частотная гребенка — это тип лазерного излучения, состоящий из нескольких цветов или частот, равномерно распределенных по оптическому спектру. На спектрограмме эти частоты выглядят как пики, напоминающие зубья гребенки.
Пик каждого "зубца" представляет собой стабильную, точно определенную длину волны, которая может передавать информацию независимо от других. Поскольку длины волн фиксированы как по частоте, так и по фазе — это означает, что их пики остаются идеально выровненными, — они не мешают друг другу. Это позволяет нескольким потокам данных проходить параллельно по одному оптическому каналу, такому как волоконно-оптический кабель.
Обнаружив этот эффект случайно, учёные затем разработали способ его намеренного и контролируемого воспроизведения. Они также внедрили эту технологию в кремниевый чип, где свет проходит по волноводам шириной всего в несколько микрометров. Один микрометр (1 мкм) — это одна тысячная миллиметра (0,0001 см) или примерно одна сотая ширины человеческого волоса.
Команда опубликовала результаты своего исследования 7 октября в журнале Nature Photonics. Это открытие особенно важно сейчас, когда искусственный интеллект предъявляет всё больше требований к инфраструктуре центров обработки данных, как отмечают исследователи.
«Центры обработки данных создали огромный спрос на мощные и эффективные источники света с широким диапазоном длин волн», — сказал соавтор исследования Андрес Хиль-Молина, главный инженер Xscape Photonics и бывший научный сотрудник Columbia Engineering, в заявлении.
«Разработанная нами технология позволяет преобразовать очень мощный лазер в десятки чистых каналов высокой мощности на чипе. Это означает, что вы можете заменить стойки с отдельными лазерами одним компактным устройством, сократив расходы, сэкономив место и получив доступ к гораздо более быстрым и энергоэффективным системам».
Радуга на чипе
Чтобы создать частотную гребенку на чипе, исследователям нужно было найти мощный лазер, который можно было бы встроить в компактную фотонную схему. В итоге они остановились на многомодовом лазерном диоде, который широко используется в медицинских устройствах и инструментах для лазерной резки.
Многомодовые лазерные диоды могут генерировать мощные лазерные лучи, но эти лучи «неоднородны», то есть исследователям нужно было понять, как улучшить и стабилизировать излучение, чтобы его можно было использовать, говорится в исследовании.
Они добились этого с помощью метода, называемого самоинжекционной блокировкой, который предполагает интеграцию резонаторов в чип, подающих небольшую часть света обратно в лазер. Это позволяет фильтровать и стабилизировать свет, в результате чего получается мощный и высокостабильный луч.
После стабилизации чип разделяет лазерный луч на многоцветную частотную гребенку. В результате получается небольшое, но эффективное фотонное устройство, которое сочетает в себе мощность промышленного лазера и точность, необходимую для передачи данных и сенсорных приложений, добавили ученые.
Помимо центров обработки данных, новый чип может использоваться в портативных спектрометрах, сверхточных оптических часах, компактных квантовых устройствах и даже современных лидарных системах.
«Речь идёт о внедрении лабораторных источников света в реальные устройства, — сказал Гил-Молина. — Если вы сможете сделать их мощными, эффективными и достаточно компактными, вы сможете разместить их практически где угодно».