„Търсехме начин да подобрим автопилота и създадохме оръжие срещу интернет“ – Колумбийски университет.

Изследователи от Колумбийския университет представиха оптичен чип, който може значително да ускори преноса на данни. Разработката решава един от основните проблеми на съвременната цифрова инфраструктура – липсата на пропускателна способност на фона на бързото нарастване на информацията, предизвикано от развитието на системите с изкуствен интелект. Дори най-модерните оптични линии днес често достигат границите на своя капацитет: повечето центрове за данни все още използват лазери с една дължина на вълната, способни да предават само един поток по всяко влакно.

Екип, ръководен от Михал Липсон, е намерил начин да премахне това ограничение. Учените са създали чип, който генерира така наречените „честотни гребени“ – източници на светлина, състоящи се от множество равномерно разположени дължини на вълните. Всеки от тези „зъбци“ представлява различна честота, с която е възможно да се предава собствен поток от информация. По този начин едно-единствено оптично влакно е в състояние да пренася едновременно десетки независими сигнали без взаимна интерференция.

Преди няколко години групата на Липсън не се занимаваше с телекомуникации, а с усъвършенстване на системите LiDAR, използвани в автономните превозни средства. При тестване на мощни микрочипове, които създават ярки лазерни импулси, изследователите забелязват неочаквано явление: с увеличаване на мощността излъчването спонтанно се пренарежда в поредица от стабилни честоти, образувайки оптичен хребет. Това наблюдение стана отправна точка за разработването на нов тип предавателни устройства.

Преди това генерирането на такива честотни структури изискваше обемисти и скъпи лазерни комплекси, които заемаха цели стелажи в лабораториите и центровете за данни. Новият чип изпълнява същата задача в миниатюрен формат: той преобразува един мощен лазерен източник в десетки стабилни канали, всеки от които работи самостоятелно. Това решение намалява разходите, спестява място и увеличава скоростта на трансфер на данните при по-ниска консумация на енергия.

Проектът е още една стъпка в развитието на силициевата фотоника – област, в която светлината се използва за обработка на информацията вместо електрически сигнали. Според Липсън подобни технологии се превръщат в гръбнака на съвременната цифрова инфраструктура и тяхното усъвършенстване има пряко въздействие върху ефективността на центровете за данни по света.

Работата започва с един прост въпрос: „Кой е най-мощният лазер, който може да бъде поставен на микрочип?“. Изследователите избират многомодов лазерен диод, широко използван в медицинските и промишлените устройства. Той е способен да произвежда силен светлинен поток, но обикновено дава нестабилен и труден за управление лъч. За да интегрира такъв „шумен“ източник в силициева схема, екипът разработва специален механизъм за синхронизация, който филтрира и пренастройва излъчването, превръщайки го в чист и стабилен сигнал – процес, известен като усилване на кохерентността.

Веднъж стабилизирана, светлината по естествен начин се разделя в кристалната структура на равномерно разположени спектрални линии, образувайки компактен честотен гребен. Полученият източник съчетава мощността на промишления лазер с научната прецизност и е способен да произвежда широк спектър от канали на площ от само няколко милиметра.

Появата на тази технология се оказа изключително навременна. Тъй като изчислителната мощ на системите за изкуствен интелект нараства експоненциално, количеството на пренасяните данни се увеличава, а центровете за данни се сблъскват с ограничения в пропускателната способност между процесорите и паметта. Честотните гребени позволяват едновременното предаване на множество потоци по едно влакно, като по този начин се елиминират тесните места в мрежата и се намалява закъснението.

Миниатюризацията на тези източници открива пътя не само към по-бързи комуникационни канали, но и към нови направления в електрониката. Същата технология може да се използва в преносими спектрометри, квантови устройства, оптични часовници и следващото поколение системи LiDAR. Както отбелязват авторите, тяхната цел е да доведат лабораторните източници на светлина до нивото на ежедневните решения: да ги направят достатъчно компактни, надеждни и енергийно ефективни, за да могат да бъдат използвани навсякъде – от сървърните шкафове до автономните дронове и научните инструменти.