Birkaç yıl önce, Michal Lipson’un laboratuvarındaki araştırmacılar dikkat çekici bir şey fark ettiler. Mesafeyi ölçmek için ışık dalgaları kullanan bir teknoloji olan LiDAR’ı geliştirmek için bir proje üzerinde çalışıyorlardı. Laboratuar, daha parlak ışık ışınları üretebilen yüksek güçlü çipler tasarlıyordu.
Lipson laboratuvarında eski doktora sonrası araştırmacı Andres Gil-Molina, “Çipten daha fazla güç gönderdiğimiz için, frekans tarağı dediğimiz şeyi yarattığını fark ettik.”
Frekans tarağı, bir tür gökkuşağı gibi düzenli bir desenle yan yana dizilmiş birçok renk içeren özel bir ışık türüdür. Düzinelerce renk – veya ışık frekansları – parlak bir şekilde sarılırken, aralarındaki boşluklar karanlık kalır.
Bir spektrogramdaki bir frekans tarakına baktığınızda, bu parlak frekanslar bir tarakta sivri veya dişler olarak görünür. Bu, aynı anda düzinelerce veri akışı gönderme fırsatı sunar. Farklı ışık renkleri birbirine müdahale etmediğinden, her diş kendi kanalı olarak hareket eder.
Bugün, güçlü bir frekans tarağı oluşturmak büyük ve pahalı lazerler ve amplifikatörler gerektirir. Yeni makalelerinde Nature FotonicsLipson, Eugene Higgins Elektrik Mühendisliği Profesörü ve Uygulamalı Fizik Profesörü ve işbirlikçileri aynı şeyi tek bir çipte nasıl yapacağını gösteriyor.
“Veri merkezleri, birçok dalga boyu içeren güçlü ve verimli ışık kaynakları için muazzam bir talep yarattı.”
“Geliştirdiğimiz teknoloji çok güçlü bir lazer alıyor ve onu bir çip üzerindeki düzinelerce temiz, yüksek güçlü kanala dönüştürüyor. Bu, tek tek lazerlerin raflarını bir kompakt cihazla değiştirebileceğiniz, maliyeti kesebileceğiniz, boşluk tasarrufu ve kapıyı çok daha hızlı, daha fazla enerji tasarruflu sistemlere açabileceğiniz anlamına geliyor.”
Lipson, “Bu araştırma, silikon fotonikleri ilerletme görevimizde başka bir kilometre taşını işaret ediyor.” Dedi. “Bu teknoloji kritik altyapı ve günlük yaşamlarımız için giderek daha merkezi hale geldikçe, bu tür bir ilerleme veri merkezlerinin mümkün olduğunca verimli olmasını sağlamak için gereklidir.”
Dağınık ışığı temizlemek
Atılım basit bir soru ile başladı: Bir çip üzerine koyabileceğimiz en güçlü lazer nedir?
Ekip, tıbbi cihazlar ve lazer kesme araçları gibi uygulamalarda yaygın olarak kullanılan multimod lazer diyot adı verilen bir tip seçti. Bu lazerler muazzam miktarda ışık üretebilir, ancak kiriş “dağınık” dır, bu da hassas uygulamalar için kullanmayı zorlaştırır.
Böyle bir lazeri bir silikon fotonik çipine entegre etmek, ışık yollarının sadece birkaç mikron – hatta yüzlerce nanometre – çapında dikkatli bir mühendislik gerektirdi.
Gil-Molina, “Bu güçlü ama çok gürültülü ışık kaynağını arındırmak için kilitleme mekanizması adı verilen bir şey kullandık.”
Yöntem, lazerin çıkışını yeniden şekillendirmek ve temizlemek için silikon fotonikine dayanarak çok daha temiz, daha kararlı bir ışın üretir, bir mülkiyet bilimcisi yüksek tutarlılık olarak adlandırılır.
Işık saflaştırıldıktan sonra, çipin doğrusal olmayan optik özellikleri devralır, bu tek güçlü ışını düzinelerce eşit aralıklı renge böldü, bu da bir frekans tarakının tanımlayıcı bir özelliği.
Sonuç, endüstriyel bir lazerin ham gücünü gelişmiş iletişim ve algılama için gereken hassasiyet ve stabilite ile birleştiren kompakt, yüksek verimli bir ışık kaynağıdır.
Neden şimdi önemli
Bu atılım için zamanlama kaza değildir. Yapay zekanın patlayıcı büyümesi ile, veri merkezleri içindeki altyapı, örneğin işlemciler ve bellek arasında bilgiyi yeterince hızlı hareket ettirmeye zorlanıyor. En son teknoloji veri merkezleri zaten verileri taşımak için fiber optik bağlantılar kullanıyor, ancak bunların çoğu hala tek dalga boyu lazerlere güveniyor.
Frekans tarakları bunu değiştirir. Bir veri akışı taşıyan bir ışın yerine, düzinelerce kiriş aynı fiber boyunca paralel olarak çalışabilir. Bu, 1990’ların sonlarında interneti küresel bir yüksek hızlı ağa dönüştüren teknoloji olan dalga boyu-bölme çoğullamasının (WDM) arkasındaki prensip.
Yüksek güçlü, çok dalga boylu tarakları doğrudan bir çipe sığacak kadar küçük hale getirerek, Lipson’un ekibi bu özelliği modern bilgi işlem sistemlerinin en kompakt, maliyete duyarlı kısımlarına getirmeyi mümkün kıldı.
Veri merkezlerinin ötesinde, aynı yongalar taşınabilir spektrometreler, ultra kesintiye uğramış optik saatler, kompakt kuantum cihazlar ve hatta gelişmiş LiDAR sistemleri sağlayabilir.
Gil-Molina, “Bu, laboratuvar sınıfı ışık kaynaklarını gerçek dünya cihazlarına getirmekle ilgili” diyor. “Onları güçlü, verimli ve yeterince küçük hale getirebilirseniz, onları neredeyse her yere koyabilirsiniz.”
