۹ اکتبر ۲۰۲۵، عکس از نویسنده: امیر خُلَم-شماتیک، خطوط شانه‌ای تقسیم‌شده توسط عنصر پراش را در منبع میکروشانه‌ای پرقدرت نشان می‌دهد.شرکت مهندسی کلمبیا
مسابقه برای سیستم‌های داده سریع‌تر و کارآمدتر به نقطه بحرانی رسیده است. با توجه به اینکه هوش مصنوعی باعث انفجار تقاضای جهانی برای داده‌ها شده است، حتی شبکه‌های فیبر نوری پیشرفته نیز برای همگام شدن با این روند تلاش می‌کنند. اکثر مراکز داده امروزی هنوز به لیزرهای تک‌طول‌موج متکی هستند، به این معنی که هر فیبر فقط می‌تواند یک جریان داده را حمل کند.
برای حرکت سریع‌تر، مهندسان به منابع نوری نیاز دارند که بتوانند چندین جریان را به طور همزمان از طریق یک فیبر ارسال کنند. این چیزی است که محققان دانشگاه کلمبیا اکنون به آن دست یافته‌اند.این تیم به رهبری مایکل لیپسون، تراشه‌ای را توسعه داده است که می‌تواند «شانه‌های فرکانسی» قدرتمندی تولید کند، منابع نوری ویژه‌ای که از ده‌ها طول موج با فاصله مساوی تشکیل شده‌اند.
چند سال پیش، هنگام کار بر روی بهبود فناوری لیدار، تیم لیپسون به پدیده‌ای غیرمنتظره برخورد کرد. آنها در حال آزمایش تراشه‌های پرقدرتی بودند که برای تولید پرتوهای نور روشن‌تر طراحی شده بودند که اتفاق شگفت‌انگیزی رخ داد.
آندرس گیل-مولینا، محقق سابق فوق دکترا در آزمایشگاه لیپسون، می‌گوید: «همانطور که ما قدرت بیشتری را از طریق تراشه ارسال می‌کردیم، متوجه شدیم که چیزی را ایجاد می‌کند که ما آن را شانه فرکانسی می‌نامیم.»
شانه فرکانسی نوعی نور است که شامل رنگ‌های متمایز زیادی است که هر کدام دقیقاً از هم فاصله دارند. هر رنگ یا فرکانس می‌تواند جریان اطلاعات خود را حمل کند و به ده‌ها سیگنال اجازه می‌دهد بدون تداخل در کنار هم حرکت کنند.تاکنون، تولید این نوع نور نیاز به سیستم‌های لیزری حجیم و گران‌قیمت داشت.
گیل-مولینا، که اکنون مهندس ارشد Xscape Photonics است، می‌گوید: «فناوری‌ای که ما توسعه داده‌ایم، یک لیزر بسیار قدرتمند را به ده‌ها کانال تمیز و پرقدرت روی یک تراشه تبدیل می‌کند.
«این بدان معناست که می‌توانید قفسه‌های لیزرهای منفرد را با یک دستگاه جمع‌وجور جایگزین کنید، هزینه را کاهش دهید، در فضا صرفه‌جویی کنید و دری را به سوی سیستم‌های بسیار سریع‌تر و با بهره‌وری انرژی بیشتر باز کنید.»
لیپسون گفت: «این تحقیق نقطه عطف دیگری در ماموریت ما برای پیشرفت فوتونیک سیلیکونی است. از آنجایی که این فناوری به طور فزاینده‌ای در زیرساخت‌های حیاتی و زندگی روزمره ما نقش محوری پیدا می‌کند، این نوع پیشرفت برای اطمینان از کارایی هرچه بیشتر مراکز داده ضروری است.»
این پروژه با یک سوال ساده آغاز شد – قدرتمندترین لیزری که می‌تواند روی یک تراشه قرار گیرد چیست؟
این تیم یک دیود لیزر چند حالته را انتخاب کرد که به طور گسترده در تجهیزات پزشکی و صنعتی استفاده می‌شود. این لیزرها می‌توانند مقادیر زیادی نور تولید کنند، اما پرتو اغلب ناپایدار و کنترل آن دشوار است.
ادغام چنین منبع نور آشفته‌ای در یک تراشه فوتونیک سیلیکونی نیاز به مهندسی دقیق داشت. گیل-مولینا توضیح می‌دهد: «ما از چیزی به نام مکانیزم قفل کردن برای خالص‌سازی این منبع نور قدرتمند اما بسیار پر سر و صدا استفاده کردیم.»
این روش، پرتو را فیلتر کرده و به یک خروجی تمیزتر و پایدارتر تغییر شکل می‌دهد، ویژگی‌ای که به عنوان انسجام بالا شناخته می‌شود.هنگامی که نور تثبیت می‌شود، خواص نوری تراشه به طور طبیعی آن را به رنگ‌های با فاصله مساوی تقسیم می‌کند و یک شانه فرکانسی ایجاد می‌کند. نتیجه یک منبع نور جمع و جور، کارآمد و پرقدرت است که قدرت صنعتی را با دقت علمی ترکیب می‌کند.این موفقیت در لحظه‌ای حیاتی برای محاسبات و ارتباطات حاصل می‌شود. با بزرگتر شدن سیستم‌های هوش مصنوعی، مراکز داده در تلاش برای انتقال سریع اطلاعات بین پردازنده‌ها و حافظه هستند.شانه‌های فرکانسی می‌توانند با اجازه دادن به بسیاری از کانال‌های داده برای اجرای همزمان از طریق یک فیبر نوری، این وضعیت را تغییر دهند.
با کوچک‌سازی این فناوری، تیم لیپسون چیزی را ایجاد کرده است که می‌تواند نحوه حرکت داده‌ها را در پیشرفته‌ترین سیستم‌های محاسباتی تغییر شکل دهد. همین فناوری تراشه می‌تواند برای طیف‌سنج‌های فشرده، دستگاه‌های کوانتومی، ساعت‌های نوری و سیستم‌های لیدار نسل بعدی نیز استفاده شود.
گیل-مولینا می‌گوید: «این موضوع در مورد آوردن منابع نوری آزمایشگاهی به دستگاه‌های دنیای واقعی است. اگر بتوانید آنها را به اندازه کافی قدرتمند، کارآمد و کوچک کنید، می‌توانید آنها را تقریباً در هر جایی قرار دهید.»
این مطالعه در مجله Nature Photonics منتشر شده است.
