Μια ανακάλυψη που ξεκίνησε από καθαρή τύχη στο εργαστήριο της Michal Lipson στο Columbia University φαίνεται πως θα μπορούσε να αλλάξει ριζικά τον τρόπο με τον οποίο μεταδίδονται τα δεδομένα στο διαδίκτυο. Οι ερευνητές δημιούργησαν ένα μικροσκοπικό ολοκληρωμένο κύκλωμα που μετατρέπει ένα και μόνο laser σε αυτό που αποκαλείται “frequency comb”, ένα είδος φωτός που αποτελείται από δεκάδες διαφορετικά χρώματα τοποθετημένα με απόλυτη τάξη, όπως τα χρώματα ενός ουράνιου τόξου. Το αποτέλεσμα; Ένα «Rainbow Chip» που μπορεί να πολλαπλασιάσει την ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων και να δώσει νέα ώθηση σε τεχνολογίες όπως η τεχνητή νοημοσύνη, το quantum computing και τα συστήματα LiDAR.
Η αρχική ανακάλυψη έγινε σχεδόν τυχαία. Όπως θυμάται ο Andres Gil-Molina, τότε μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριο της Lipson, η ομάδα εργαζόταν πάνω σε ένα έργο που στόχευε στη βελτίωση της τεχνολογίας LiDAR, η οποία χρησιμοποιεί φωτεινά κύματα για να μετρά αποστάσεις. Καθώς αύξαναν την ισχύ του φωτός μέσα από το τσιπ, παρατήρησαν ένα απρόσμενο φαινόμενο: η δέσμη άρχισε να διαχωρίζεται σε πολλαπλές συχνότητες, δημιουργώντας έναν «χτενισμένο» σχηματισμό από καθαρές γραμμές φωτός, το λεγόμενο frequency comb.
Τα frequency combs αποτελούν εξαιρετικά πολύτιμα εργαλεία για τη σύγχρονη επικοινωνία, καθώς κάθε «δόντι» της «χτένας» μπορεί να λειτουργήσει ως ανεξάρτητο κανάλι μεταφοράς δεδομένων. Με άλλα λόγια, δεκάδες διαφορετικές ροές πληροφοριών μπορούν να ταξιδεύουν ταυτόχρονα μέσα από την ίδια οπτική ίνα, χωρίς να αλληλοπαρεμβάλλονται. Ωστόσο, μέχρι σήμερα, η παραγωγή ενός σταθερού και ισχυρού frequency comb απαιτούσε ογκώδεις και ακριβές εγκαταστάσεις με μεγάλα laser και ενισχυτές.
Η ομάδα του Columbia κατάφερε να αλλάξει τους κανόνες. Στο νέο άρθρο τους που δημοσιεύθηκε στο Nature Photonics, η Lipson και οι συνεργάτες της παρουσιάζουν πώς κατάφεραν να επιτύχουν το ίδιο αποτέλεσμα σε μια μικρή συσκευή πυριτίου – ουσιαστικά, σε ένα τσιπ που χωράει στην παλάμη του χεριού.
Σύμφωνα με τον Gil-Molina, ο οποίος πλέον εργάζεται ως επικεφαλής μηχανικός στην Xscape Photonics, το επίτευγμα αυτό έχει τεράστιες πρακτικές συνέπειες:
Μετατρέπουμε ένα ισχυρό laser σε δεκάδες καθαρά, υψηλής ισχύος κανάλια μέσα σε ένα και μόνο chip. Αυτό σημαίνει ότι μπορείς να αντικαταστήσεις ολόκληρες σειρές από ξεχωριστά lasers με μια μικροσκοπική συσκευή, μειώνοντας το κόστος και την κατανάλωση ενέργειας, ενώ παράλληλα αυξάνεις την ταχύτητα των συστημάτων μετάδοσης δεδομένων.
Η καινοτομία δεν περιορίζεται μόνο στο μέγεθος. Η ομάδα χρησιμοποίησε ένας πρωτοποριακό «μηχανισμό κλειδώματος» (locking mechanism) που καθαρίζει την ασταθή και «θορυβώδη» δέσμη ενός πολυτροπικού laser, μετατρέποντάς την σε σταθερό και εξαιρετικά καθαρό φως. Αυτό το στάδιο, που ονομάζεται βελτίωση συνοχής (high coherence), είναι κρίσιμο για τη δημιουργία αξιόπιστων frequency combs. Στη συνέχεια, οι μη γραμμικές ιδιότητες του πυριτίου στο ίδιο το chip «σπάνε» τη δέσμη σε μια σειρά από ομοιόμορφα κατανεμημένα χρώματα, όπου κάθε ένα από αυτά αντιστοιχεί σε μια διαφορετική συχνότητα φωτός.
Το αποτέλεσμα είναι ένα συμπαγές, ενεργειακά αποδοτικό σύστημα που συνδυάζει την ισχύ ενός βιομηχανικού laser με την ακρίβεια εργαστηριακών οργάνων. Όπως επισημαίνει η Lipson, «αυτή η έρευνα αποτελεί ακόμα ένα βήμα προς τον στόχο μας να φέρουμε τη φωτονική τεχνολογία πυριτίου σε νέα επίπεδα αποδοτικότητας και πρακτικής εφαρμογής».
Η ανακάλυψη έρχεται σε μια εποχή που η ανάγκη για ταχύτερη και πιο αποδοτική μεταφορά δεδομένων είναι μεγαλύτερη από ποτέ. Τα σύγχρονα data centers, που τροφοδοτούνται από τεχνητή νοημοσύνη και απαιτούν τεράστιες ποσότητες πληροφορίας να μετακινούνται μεταξύ επεξεργαστών και μνημών, πλησιάζουν στα φυσικά όρια της ταχύτητας μετάδοσης. Παρόλο που χρησιμοποιούν ήδη οπτικές ίνες, οι περισσότερες βασίζονται ακόμη σε μονόχρωμα lasers, μεταφέροντας μία μόνο ροή δεδομένων τη φορά.
Τα frequency combs αλλάζουν το παιχνίδι. Αντί για ένα μοναδικό φως που μεταφέρει ένα σήμα, πολλές διαφορετικές συχνότητες μπορούν να λειτουργούν ταυτόχρονα στο ίδιο καλώδιο. Αυτή είναι η ίδια αρχή πίσω από την τεχνολογία wavelength-division multiplexing (WDM), που στις δεκαετίες του ’90 εκτόξευσε την ταχύτητα του διαδικτύου. Τώρα, χάρη στο Rainbow Chip” η ίδια ιδέα μπορεί να εφαρμοστεί απευθείας σε μικροσκοπικά τσιπ, προσφέροντας τεράστιες δυνατότητες για εξοικονόμηση χώρου και ενέργειας.
Πέρα όμως από τα data centers, οι εφαρμογές της νέας τεχνολογίας είναι ακόμη ευρύτερες. Οι μικροσκοπικές αυτές φωτονικές συσκευές θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε φορητά φασματόμετρα, εξαιρετικά ακριβή οπτικά ρολόγια, συστήματα κβαντικής επικοινωνίας και πιο προηγμένα LiDAR για αυτόνομα οχήματα.
Όπως τονίζει ο Gil-Molina, «ο στόχος μας είναι να φέρουμε πηγές φωτός ποιότητας εργαστηρίου σε καθημερινές συσκευές. Αν καταφέρουμε να τις κάνουμε αρκετά ισχυρές, αποδοτικές και μικρές, τότε θα μπορούμε να τις τοποθετήσουμε παντού».
Το Rainbow Chip είναι το πρώτο βήμα προς έναν κόσμο όπου η ταχύτητα, η ακρίβεια και η ενεργειακή αποδοτικότητα θα ορίζουν τη νέα εποχή του διαδικτύου και των έξυπνων συστημάτων.
[via]
