«Мы искали способ улучшить автопилот, а создали оружие против интернета» — Колумбийский университет.
Исследователи Колумбийского университета представили оптический чип, способный значительно ускорить передачу данных. Разработка решает одну из главных проблем современной цифровой инфраструктуры — нехватку пропускной способности на фоне стремительного роста объёмов информации, вызванного развитием систем искусственного интеллекта. Даже самые современные оптоволоконные линии сегодня часто достигают пределов возможностей: большинство центров обработки данных по-прежнему используют одноволновые лазеры, способные передавать лишь один поток по каждому волокну.
Команда под руководством Михал Липсон нашла способ снять это ограничение. Учёные создали чип, который генерирует так называемые «частотные гребёнки» — источники света, состоящие из множества равномерно распределённых длин волн. Каждая из этих «зубцов» представляет отдельную частоту, на которой можно передавать собственный поток информации. Таким образом, одно оптоволокно способно одновременно пропускать десятки независимых сигналов без взаимных помех.
Несколько лет назад группа Липсон занималась не телекоммуникациями, а усовершенствованием систем LiDAR, применяемых в автономных транспортных средствах. При тестировании мощных микрочипов, создающих яркие лазерные импульсы, исследователи заметили неожиданное явление: при увеличении мощности излучение самопроизвольно перестраивалось в серию стабильных частот, формируя оптический гребень. Это наблюдение стало отправной точкой для разработки нового типа передающих устройств.
Ранее для генерации подобных частотных структур требовались громоздкие и дорогие лазерные комплексы, занимавшие целые стойки в лабораториях и дата-центрах. Новый чип выполняет ту же задачу в миниатюрном формате: он преобразует один мощный лазерный источник в десятки устойчивых каналов, каждый из которых работает независимо. Такое решение сокращает затраты, экономит пространство и повышает скорость передачи данных при меньшем энергопотреблении.
Проект стал очередным шагом в развитии кремниевой фотоники — направления, где свет используется для обработки информации вместо электрических сигналов. По словам Липсон, подобные технологии становятся основой современной цифровой инфраструктуры, а их совершенствование напрямую влияет на эффективность центров обработки данных по всему миру.
Работа началась с простого вопроса: «Какой самый мощный лазер можно разместить на микрочипе?» Исследователи выбрали многомодовый лазерный диод, широко применяемый в медицинских и промышленных приборах. Он способен выдавать сильный поток света, но обычно даёт нестабильный и трудноуправляемый пучок. Чтобы интегрировать столь «шумный» источник в кремниевую схему, команда разработала специальный механизм синхронизации, который фильтрует и перестраивает излучение, превращая его в чистый и устойчивый сигнал — процесс, известный как повышение когерентности.
После стабилизации свет естественным образом делится внутри структуры кристалла на равномерно распределённые спектральные линии, образуя компактную частотную гребёнку. Полученный источник сочетает мощность промышленного лазера с научной точностью и способен создавать широкий спектр каналов на площади всего в несколько миллиметров.
Появление этой технологии оказалось как нельзя более своевременным. По мере роста вычислительных мощностей систем искусственного интеллекта объёмы передаваемых данных растут экспоненциально, и центры обработки информации сталкиваются с ограничениями пропускной способности между процессорами и памятью. Частотные гребёнки позволяют передавать множество потоков одновременно по одному волокну, устраняя узкие места в сетях и снижая задержки.
Миниатюризация таких источников открывает путь не только к более быстрым каналам связи, но и к новым направлениям в электронике. Та же технология может использоваться в портативных спектрометрах, квантовых устройствах, оптических часах и следующем поколении LiDAR-систем. Как отмечают авторы, их цель — вывести лабораторные источники света на уровень повседневных решений: сделать их достаточно компактными, надёжными и энергоэффективными, чтобы их можно было устанавливать где угодно — от серверных стоек до автономных дронов и научных приборов.