Мощные лазеры с множеством цветов теперь помещаются на одном чипе

Исследователи из Колумбийского университета совершили прорыв в области кремниевой фотоники, создав компактный источник света, который генерирует мощные частотные гребёнки на одном чипе.

Схематическое изображение дифракционного элемента в мощном микрогребенчатом источнике, разделяющего спектральные линии. Автор: Лаборатория Михал Липсон

Частотная гребёнка — это особый тип света, содержащий множество цветов, выстроенных в упорядоченном паттерне, подобно радуге. Когда вы смотрите на частотную гребёнку на спектрограмме, эти яркие частоты появляются как пики, или зубья гребёнки. Это открывает огромные возможности отправлять десятки потоков данных одновременно.

В новой статье, опубликованной в Nature Photonics, профессор Михал Липсон и её коллеги показали, как создать мощную частотную гребёнку на одном чипе, тогда как сегодня для этого требуются большие и дорогие лазеры и усилители.

«Технология, которую мы разработали, берёт очень мощный лазер и превращает его в десятки чистых, мощных каналов на чипе», — говорит Андрес Хиль-Молина, ведущий автор исследования.

Это означает, что можно заменить стойки отдельных лазеров одним компактным устройством, сокращая затраты, экономя пространство и открывая путь к более быстрым и энергоэффективным системам.

Соавторы статьи Александр Гаэта (слева) и Михал Липсон в лаборатории Гаэты в Колумбийском университете. Автор: Columbia Engineering

Очистка «грязного» света

Команда использовала многомодовый лазерный диод, который производит огромное количество света, но луч получается «грязным». Интеграция такого лазера в кремниевый фотонный чип потребовала тщательной инженерии.

«Мы использовали механизм блокировки для очистки этого мощного, но очень шумного источника света», — объясняет Хиль-Молина.

Метод полагается на кремниевую фотонику для изменения формы и очистки выходного сигнала лазера, производя значительно более чистый и стабильный луч. Затем нелинейные оптические свойства чипа разделяют этот единственный мощный луч на десятки равномерно распределённых цветов.

Почему это важно сейчас

С взрывным ростом искусственного интеллекта инфраструктура внутри центров обработки данных напряжена необходимостью перемещать информацию достаточно быстро. Частотные гребёнки меняют это — вместо одного луча, несущего один поток данных, десятки лучей могут работать параллельно через одно и то же волокно.

Помимо центров обработки данных, те же чипы могут обеспечить работу портативных спектрометров, сверхточных оптических часов, компактных квантовых устройств и даже передовых систем LiDAR.

«Речь идёт о том, чтобы перенести лабораторные источники света в реальные устройства», — говорит Хиль-Молина. «Если вы можете сделать их мощными, эффективными и достаточно маленькими, вы можете разместить их почти где угодно».