Pirmasis komercinis didelio masto integruotas lazerinis mikrokompiuteris vienoje mikroschemoje

Tapytojo elektra valdomų optinių dažnių šukų koncepcija dailininko mastu. Kreditas: Brianas Longas

Prieš penkiolika metų Johnas von Bowersas, UC Santa Barbaros elektrotechnikos profesorius, sukūrė lazerių integravimo į silicio vaflius metodą. Nuo to laiko ši technologija buvo plačiai naudojama kartu su kitais silicio fotonikos prietaisais, kad pakeistų varinius laidus, kurie anksčiau prijungė serverius prie duomenų centrų, žymiai padidindami energijos vartojimo efektyvumą – tai svarbus žingsnis, kai duomenų srautas auga apie 25%. metai:

Kelerius metus Bowersas kartu su Tobiasu J. Kippenbergu dalyvavo Šveicarijos federaliniame technologijos institute (EPFL) kaip gynybos pažangiųjų tyrimų projektų agentūros (DARPA) tiesioginio skaitmeninio optinio sintezatoriaus (DODOS) programoje. Kipenbergo komanda atrado „mikrokombą“ – lygiagrečių, mažo triukšmo, didelio stabilumo lazerių linijų seriją. Kiekviena iš daugelio lazerio šukų linijų gali nešti informaciją, plačiai padaugindama duomenų lazerius, kuriuos galima siųsti vienu lazeriu.

Neseniai kelios komandos pademonstravo labai kompaktiškas šukas, padėdamos puslaidininkio lazerio mikroschemą, atskirą silicio nitrido žiedo-rezonatoriaus grandinę, labai arti viena kitos. Tačiau lazeris ir rezonatorius vis tiek buvo atskiri prietaisai, kurie buvo pagaminti patys, o paskui buvo pastatyti vienas šalia kito visiškai subalansuotu, ekonomišku ir daug laiko reikalaujančiu procesu, kurio nebuvo galima išplėsti.

„Bowers Lab“ kartu su „Kippenberg Lab“ sukūrė integruotą mikroschemos puslaidininkinį lazerinį rezonatorių, gaminantį lazerio mikrokombą. Straipsnis naujame žurnalo numeryje „Lazeriniai solitono mikrokombos ant nepalyginamai integruoto silicio“ Mokslas:, apibūdina laboratorijų sėkmę pirmosioms pasiekti šį tikslą.

„Soliton“ mikrokombos yra optinio dažnio šukos, skleidžiančios tarpusavyje išsidėsčiusias lazerio linijas, tai yra linijas, kurios yra stabilios, nekintančios fazės viena su kita. Ši technologija naudojama optinio laiko nustatymo, metrologijos ir apskaitos srityse. Naujausi lauko demonstravimai apima daugiaterabitus optinius ryšius per sekundę, greitą šviesos aptikimą (svyravimus (LiDAR)), neuromorfinius skaičiavimus, astronominio kalibro spektrometrus ir kt. Tai yra galingas įrankis, kurio veikimui paprastai reikia tik didelės energijos brangių lazerių ir sudėtingų optinių jungčių.

Lazerio mikrokombos principas, paaiškino pagrindinis autorius Chao Xiangas, Bowerso laboratorijos docentas, yra tas, kad paskirstytieji grįžtamojo ryšio (DFB) lazeriai gamina vieną lazerio liniją. Tuomet ši linija praeina pro optinį fazių reguliatorių ir patenka į mikrorenginio rezonatorių, dėl kurio padidėja energijos intensyvumas, kai šviesa keliauja aplink žiedą. Jei intensyvumas pasiekia tam tikrą ribą, atsiranda netiesiniai optiniai efektai, dėl kurių viena lazerio linija sukuria dvi papildomas, identiškas linijas iš abiejų pusių. Kiekviena iš šių dviejų „šoninių linijų“ sukuria kitas, vedančias į lazerinių linijų kaskadą. „Jūs gausite daugybę abipusių dažnių šukų“, – sakė Xiangas su labai patobulinta duomenų perdavimo galimybe.

Šis tyrimas leidžia puslaidininkinius lazerius sklandžiai integruoti su mažo nuostolio netiesiniais optiniais mikrorezonatoriais „mažo nuostolio“, nes šviesa gali judėti per bangolaidį neprarandant reikšmingo intensyvumo. Nereikia optinio ryšio, և prietaisas yra visiškai valdomas elektra. Gali būti, kad naujoji technologija leidžia gaminti komerciniu mastu, nes naudojant vieną vaflį galima pagaminti tūkstančius prietaisų, naudojant pramonės standartą atitinkančią papildomo metalo oksido puslaidininkių (CMOS) technologiją. „Mūsų požiūris atveria kelią didelių, nebrangių mikroschemų pagrindu pagamintų dažnio šukų gamybai naujos kartos didelės galios siųstuvams, duomenų centrams, kosminėms ir mobiliosioms platformoms“, – teigė mokslininkai.

Pagrindinis iššūkis gaminant prietaisą buvo tas, kad šuką generavę puslaidininkių lazerių rezonatoriai turėjo būti pastatyti ant skirtingų medžiagų platformų. Lazeriai gali būti gaminami tik iš periodinės lentelės III groups V grupės medžiagų, tokių kaip indžio fosfidas, o geriausias šukas galima pagaminti tik iš silicio nitrido. „Taigi mes turėjome rasti būdą, kaip juos uždėti ant vaflio“, – paaiškino Xiangas.

Dirbdami su tuo pačiu vafliu, mokslininkai naudojo heterogeninį UCSB integracijos procesą, kad pagamintų aukštos kokybės lazerius ant silicio pagrindo. Vaflių mastelio procesas, priešingai nei gaminant atskirus prietaisus ir derinant juos po vieną, leidžia pagaminti tūkstančius prietaisų iš 100 mm skersmens vaflio, kurio gamybos lygis gali būti visos pramonės mastas. Pagrindas, kurio skersmuo yra 200 mm arba 300 mm.

Norint, kad prietaisas veiktų tinkamai, būtina valdyti lazerį, rezonatorių, optinę fazę tarp jų, sukurti vieningą sistemą, pagrįstą „savaime tirpstančio bloko“ reiškiniu. Xiangas paaiškino, kad lazerio išvestį iš dalies atspindi mikroresonatorius. Kai lazerio gaunama šviesa „atsispindi nuo rezonatoriaus“ pasiekia tam tikrą fazinę būseną, sakoma, kad lazeris yra užfiksuotas ant rezonatoriaus.

Paprastai atspindėta šviesa kenkia lazerio veikimui, tačiau čia ją galima panaudoti mikrokombos sukūrimui. Užblokuota lazerio šviesa tuo pačiu metu įjungia solitoną rezonatoriuje և sumažina lazerio šviesos triukšmą ar dažnio nestabilumą. Taigi kažkas žalingo virsta nauda. Dėl to komanda sugebėjo sukurti ne tik pirmąjį lazerinį solitono mikrokombą, integruotą į vieną mikroschemą, bet ir pirmuosius siauros linijos lazerinius šaltinius su keliais kanalais vienoje mikroschemoje.

„Optinių šukų gamybos sritis yra labai jaudinanti, juda labai greitai. Tai randa pritaikymą optiniuose laikrodžiuose, didelės galios optiniuose tinkluose ir daugelyje spektroskopinių programų “, – sakė Bowersas, Fredas Cowley’us, nanotechnologijos pirmininkas, Energetikos išsaugojimo instituto direktorius Outsourcing kolegijoje. “Trūko elemento – autonominis lustas, į kurį įeina լ siurblio lazeris և ir optinis rezonatorius. Mes nustatėme pagrindinį elementą, kuris turėtų atverti duris greitai pritaikyti šią technologiją.

„Manau, kad šis darbas bus labai didelis“, – sakė Xiangas. Jis pridūrė, kad šios naujos technologijos potencialas primena silicio lazerių pažangą prieš 15 metų, taip pat „mokslinių tyrimų ir pramonės“ prekybą silicio fotonika. „Ši konversijos technologija buvo komercializuota, o„ Intel “per metus pristato milijonus siųstuvų“, – sakė jis. “Ateities silicio fotonika, naudojant paketinę optiką, greičiausiai bus galingas didesnės galios imtuvų, naudojančių daug optinių kanalų, variklis.”

Xiangas paaiškino, kad dabartinės šukos gamina apie dvidešimt trisdešimt tinkamų naudoti šukos linijų, todėl pažangos tikslas bus padidinti šį skaičių.

Remdamasis tuo, kad mažai energijos sunaudoja „Soliton“ mikrokombas, jų galimybė pateikti daug aukštos kokybės grynumo optinių šukų duomenų perdavimui, sakė Xiangas. “Mes tikime, kad mūsų pasiekimas gali būti pagrindas pastangoms naudoti optinio dažnio šukos technologiją daugelyje sričių, įskaitant pastangas neatsilikti nuo sparčiai augančio duomenų srauto. Tikiuosi, kad sulėtės energijos vartojimo didėjimas dideliuose duomenų centruose.”

Nuoroda. 2021 m. Liepos 1 d Mokslas:,

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Didelė pažanga švarios energijos kuro elementų reakcijų srityje

Žinant geležies atomų tankį ir vietos dinamiką, pasiekiamas efektyvumo lygis kuro elementų oksidacijos reakcijoje, kuri niekada nebuvo realizuota. Kreditas: Teksaso universitetas Austine /...

Astronomai atranda mažytę uolėtą planetą – tik pusę Veneros masės

Šis grafinis simbolis rodo L 98-59b, vieną iš L 98-59 35 šviesmečių sistemos planetų. Sistemoje yra keturios patvirtintos uolienų planetos, kurios gali atsirasti...

Du antihipertenziniai vaistai apsaugo nuo tos pačios širdies ligos, bet skirtingo šalutinio poveikio

Analizuojant beveik 3 milijonus pacientų, vartojusių pirmuosius kraujospūdį mažinančius vaistus, angiotenzino receptorių blokatoriai (ARB) buvo tokie pat geri kaip ir angiotenziną konvertuojančių fermentų (AKF)...

Ličio jonų akumuliatorių „įkūrėjas“ padeda savo atradimu išspręsti 40 metų senumo problemą

Ličio jonų akumuliatorių su SNS neutronais įkūrėjas patvirtino, kad katodo medžiaga (mėlyna) be ličio niobio oksido (šviesiai žalia) žymiai sumažino pirmojo ciklo energijos nuostolius...

Dirbtinis skrandžio prototipas atskleidžia skysčių virškinimo dinamiką

Iliustracija, rodanti srauto lauką ir lašelių disociaciją aplink antralinę susitraukimo bangą. Kreditas: Damien Dufour. Lašelių plyšimas rodo, kaip apatinės pilvo susitraukimo...

Newsletter

Subscribe to stay updated.