تولید تصادفی چندین رنگ لیزر از یک تراشه سیلیکونی!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،در حالی‌که گروهی از پژوهشگران در حال توسعه فناوری لیدار (LiDAR) بودند، به‌طور غیرمنتظره‌ای موفق شدند چندین رنگ لیزر را تنها از یک تراشه تولید کنند؛ کشفی که می‌تواند تحولی بزرگ در مراکز داده و سامانه‌های ارتباطی ایجاد کند و منجر به تولید منابع نوری سریع‌تر، پاک‌تر و کارآمدتر شود.

کشف اتفاقی در آزمایشگاه

به گزارش sciencedaily، سال پیش پژوهشگران آزمایشگاه میشل لیپسون در جریان مطالعه‌ای برای بهبود فناوری لیدار با پدیده‌ای غیرمنتظره روبه‌رو شدند. هدف آنان طراحی تراشه‌هایی بود که بتوانند پرتو‌های نوری قوی‌تر و متمرکزتری تولید کنند.

آندرس گیل‌مولینا، پژوهشگر پسادکتری پیشین این گروه توضیح می‌دهد: وقتی توان بیشتری از نور را از تراشه عبور دادیم متوجه شدیم که تراشه چیزی را تولید می‌کند که ما آن را شانه فرکانسی می‌نامیم.

شانه فرکانسی نوعی نور ویژه است که از رنگ‌های مختلف و متمایز تشکیل شده و با فاصله‌های منظم و دقیق کنار هم قرار می‌گیرند؛ الگویی که شبیه رنگ‌های متوالی در یک رنگین‌کمان است. در نمودار طیفی هر فرکانس روشن به‌صورت قله‌ای تیز دیده می‌شود که مانند دندانه‌های شانه در کنار هم قرار گرفته‌اند. این ساختار امکان انتقال هم‌زمان چندین جریان اطلاعات را فراهم می‌کند، زیرا هر دندانه می‌تواند به‌عنوان یک کانال مستقل داده عمل کند بدون آن‌که تداخل نوری ایجاد شود.

از لیزر‌های عظیم تا تراشه‌ای کوچک

تا پیش از این تولید شانه‌های فرکانسی قدرتمند نیازمند لیزر‌ها و تقویت‌کننده‌های بزرگ و گران‌قیمت بود. اما در پژوهش جدیدی که در مجله Nature Photonics منتشر شده، لیپسون استاد مهندسی برق و فیزیک کاربردی دانشگاه کلمبیا و همکارانش نشان داده‌اند که می‌توان همین پدیده را تنها درون یک تراشه میکروسکوپی به‌دست آورد.

گیل‌مولینا که اکنون مهندس ارشد شرکت Xscape Photonics است، می‌گوید: مراکز داده امروز به‌شدت به منابع نوری قدرتمند و چندطیفی نیاز دارند. فناوری ما می‌تواند یک لیزر بسیار قوی را به ده‌ها کانال نوری پاک و پرقدرت روی یک تراشه تبدیل کند. این یعنی به‌جای قفسه‌هایی از لیزر‌های جداگانه، می‌توان از یک دستگاه کوچک استفاده کرد که هزینه را کاهش می‌دهد، فضا را ذخیره می‌کند و سرعت و بازده انرژی را افزایش می‌دهد.

لیپسون نیز تاکید می‌کند: این پژوهش گام دیگری در مسیر پیشرفت فوتونیک سیلیکونی است. از آن‌جا که این فناوری روزبه‌روز به زیرساخت‌های حیاتی و زندگی روزمره ما وابسته‌تر می‌شود، چنین پیشرفت‌هایی برای افزایش کارایی مراکز داده ضروری است.

پاک‌سازی نور پرقدرت

آغاز این دستاورد با یک پرسش ساده همراه بود: قدرتمندترین لیزری که می‌توان روی یک تراشه قرار داد چیست؟

پژوهشگران نوعی دیود لیزری چندحالته را انتخاب کردند که در ابزار‌های پزشکی و برش لیزری استفاده می‌شود. این لیزر‌ها توان نوری بسیار بالایی دارند، اما خروجی آنها آشفته و غیرمنظم است که استفاده از آن را برای کاربرد‌های دقیق دشوار می‌کند.

تبدیل آشفتگی به نظم

ادغام چنین لیزری در تراشه فوتونیکی سیلیکونی که مسیر‌های نوری در آن تنها چند میکرون یا حتی چند صد نانومتر عرض دارند نیازمند مهندسی بسیار ظریف بود.

گیل‌مولینا توضیح می‌دهد: ما از سازوکاری موسوم به قفل‌سازی نوری استفاده کردیم تا منبع نوری بسیار پرقدرت ولی پرنویز را پالایش کنیم.

این روش با بهره‌گیری از فناوری فوتونیک سیلیکونی، خروجی لیزر را بازشکل‌دهی کرده و نوری پاک، منسجم و پایدار تولید می‌کند؛ ویژگی‌ای که در علم اپتیک از آن با عنوان همدوسی بالا یاد می‌شود.

پس از پالایش نور ویژگی‌های غیرخطی تراشه وارد عمل می‌شوند و پرتو واحد لیزر را به ده‌ها رنگ منظم و هم‌فاصله تقسیم می‌کنند که همان مشخصه اصلی شانه فرکانسی است. حاصل کار منبع نوری فشرده و پربازدهی است که توان بالای لیزر‌های صنعتی را با دقت و پایداری موردنیاز برای سامانه‌های ارتباطی و سنجشی پیشرفته ترکیب می‌کند.

اهمیت این دستاورد در زمان کنونی

این کشف در زمانی صورت گرفته که رشد سریع هوش مصنوعی، زیرساخت مراکز داده را به‌شدت تحت فشار قرار داده است. انتقال داده بین پردازنده‌ها و حافظه‌ها به سرعت بیشتری نیاز دارد و هرچند مراکز داده پیشرفته از فیبر نوری برای تبادل اطلاعات استفاده می‌کنند، اما بیشتر آنها هنوز بر لیزر‌های تک‌طول‌موج متکی‌اند.

شانه‌های فرکانسی این محدودیت را برطرف می‌کنند. به‌جای آن‌که تنها یک پرتو حامل یک جریان داده باشد، ده‌ها پرتو می‌توانند به‌طور هم‌زمان و موازی در یک فیبر جریان یابند. این اصل همان فناوری چندگانگی تقسیم طول موج (WDM) است که در اواخر دهه ۱۹۹۰ انقلابی در سرعت اینترنت جهانی ایجاد کرد.

اکنون با کوچک و فشرده‌شدن این لیزر‌های چندطیفی و نصب آنها روی تراشه تیم لیپسون راه را برای ورود این فناوری به بخش‌های حساس و کم‌هزینه سامانه‌های محاسباتی مدرن هموار کرده است. افزون بر مراکز داده، همین تراشه‌ها می‌توانند در طیف‌سنج‌های قابل‌حمل، ساعت‌های نوری فوق‌دقیق، ابزار‌های کوانتومی فشرده و حتی سامانه‌های لیدار پیشرفته نیز به کار روند.

آینده نور قدرتمند

گیل‌مولینا در پایان می‌گوید: این فناوری درباره آوردن منابع نوری آزمایشگاهی به دستگاه‌های واقعی است. اگر بتوانیم آنها را قدرتمند، کارآمد و کوچک بسازیم می‌توان از آنها در تقریبا جایی استفاده کرد.