Sirun mittakaavan taajuusharjat tehostavat datan tulevaisuutta

Columbian insinööritieteiden tutkijat ovat luoneet uuden sirun, joka voi muuntaa laserin “taajuusharjaksi”, tuottaen samanaikaisesti useita voimakkaita valokanavia.

Hyödyntämällä erityistä lukitusmekanismia tutkijat puhdistivat hämyisen laservalon ja saavuttivat laboratoriotason tarkkuuden pienessä piisirussa. Tämä saavutus voi merkittävästi parantaa datakeskusten tehokkuutta ja edistää innovaatioita LiDARissa, tunnistuksessa ja kvanttiteknologiassa.

Mikroharjat kutistavat laboratoriotason tarkkuuden sirulle 

Tutkijat loivat korkean tehon mikroharjolaiteen LiDAR- (Light Detection and Ranging) teknologian parantamiseksi.

LiDAR on etämittausteknologia, joka käyttää pulssivaloa etäisyyksien laskemiseen ja korkean tarkkuuden 3D-mallien luomiseen ympäristöstä. Se toimii kuin tutka, mutta käyttää valoa äänen sijaan.

Järjestelmä lähettää laserpulssit ja mittaa niiden paluuajan tarkkojen etäisyyksien mittaamiseksi kohteisiin ja liiketiedon seuraamiseksi reaaliajassa.

Koostuen laserista, skannerista ja erikoistuneesta GPS-vastaanottimesta, LiDAR-instrumentti tuottaa yksityiskohtaisen ‘pistepilven’ dataa, jota käytetään sitten 3D-karttojen luomiseen sovelluksiin kuten autonominen ajo, ympäristön seuranta, kartoitus ja arkeologia.

Teknologia kehitettiin jo 1960-luvulla, alun perin sovellettuna meteorologiaan, merentutkimukseen ja topografiseen kartoitukseen, ennen kuin NASA laajensi sen käyttöä avaruudessa. 2010-luvulla kaupalliset autot alkoivat hyödyntää LiDARia, ja siitä lähtien autoliDAR on tullut erittäin suosituksi huippuluokan sähköautoissa.

LiDARin kasvavan soveltamisen myötä tutkijat ovat jatkuvasti työskennelleet teknologian parantamiseksi. Monet jännittävät laseriteknologian innovaatiot on integroituna kehittyneeseen optiikkaan, mikä mahdollistaa entistä pienentämisen ja lupaa pitkän aikavälin tulevaisuutta LiDAR-järjestelmille.

Columbia Universityn insinööri- ja soveltavan tieteen koulun tutkijoiden keskeinen tavoite oli löytää keino vapauttaa suurempaa tehoa ja spektripuhdistusta kompakteista lasersysteemeistä, jotta sirun mittakaavan taajuusharjojen generointi voitaisiin mahdollistaa viestinnän, tunnistuksen, spektroskopian, LiDARin ja muiden integroitujen fotoniikkasovellusten parantamiseksi.

Näin ollen he ovat luoneet mikroharjan, pienen fotoniikkalaitteen, joka tuottaa sarjan tasaisesti erotettuja optisia taajuuksia, kuin harjan hampaat, sirulle.

Nämä integroidut pienikokoiset taajuusharjat voivat pienentää perinteisesti näihin sovelluksiin vaadittavien monimutkaisten järjestelmien kokoa. Siten integroidut mikroharjat ovat lupaavia lukuisissa sovelluksissa, jotka vaativat suurta lähtötehoa, pientä jalanjälkeä ja korkeaa tehokkuutta, kuten spektroskopiaa, tunnistusta ja dataviestintää.

Äskettäin tutkijat ovat osoittaneet sähköisesti pumpattuja mikroharjoja integroimalla vahvistuspiirit (puolijohteisia optisia elementtejä) huippuluokan resonansseihin. Kuitenkin niiden kokonaisoptinen teho on edelleen paljon alhaisempi kuin mitä käytännölliset ratkaisut vaativat.

Tämä rajoitus on ratkaistu Columbia-tutkijoiden toimesta, jotka osoittivat korkean tehon sähköisesti pumpattuja Kerr-taajuusmikroharjoja. 

Hämyisistä diodista puhtaisiin mikroharjoihin

Mielenkiintoista on, että tämä oli vahinko. Muutama vuosi sitten Michal Lipsonin, Eugene Higginsin sähkötekniikan professori ja soveltavan fysiikan professori, laboratoriossa työskentelevät tutkijat olivat kehittämässä projektia LiDAR-kyvykkyyden parantamiseksi, kun he huomasivat jotain uskomatonta.

He suunnittelivat korkean tehon siruja, jotka voisivat tuottaa kirkkaampia valonsäteitä, ja “kun lähetimme yhä enemmän tehoa sirun läpi, huomasimme sen luovan sen, mitä kutsumme taajuusharjaksi”, sanoi Andres Gil-Molina, entinen postdoc-tutkija Lipsonin laboratoriossa ja nykyinen pääinsinööri Xscape Photonicsissa.

Taajuusharja on spektri, joka koostuu erillisistä ja säännöllisesti erotetuista spektrilinjoista. Tämä tarkoittaa, että tämä erityinen valon tyyppi sisältää eri värejä, jotka ovat vierekkäin järjestäytyneessä muodossa, kuten sateenkaarella.

Tässä kymmeniä valotaajuuksia loistaa. Mutta näiden eri värien tai taajuuksien väliin jäävät aukot pysyvät pimeinä. Joten kun tarkastelet näitä eri kirkkaita taajuuksia spektrogrammissa, ne näyttävät piikeiltä tai harjan hampaiden kaltaisilta, mistä nimi tulee.

Koska eri valovärit eivät häiritse toisiaan, jokainen hammas toimii omana kanavanaan, tarjoten uskomattoman mahdollisuuden lähettää useita datavirtoja samanaikaisesti.

Vaikka se on äärimmäisen hyödyllistä, voimakkaan taajuusharjan luominen vaatii suuria ja kalliita laseja ja vahvistimia.

Julkaistu Nature Photonics¹, artikkeli kuvaa, miten sama voidaan toteuttaa yhdellä sirulla. 

“Kehittämämme teknologia ottaa erittäin voimakkaan laserin ja muuntaa sen kymmeniksi puhtaiksi, korkean tehon kanaviksi sirulle. Tämä tarkoittaa, että voit korvata useita erillisiä laseja yhdellä kompaktilla laitteella, mikä vähentää kustannuksia, säästää tilaa ja avaa oven paljon nopeammille, energiatehokkaammille järjestelmille.”

– Gil-Molina

Tämä tutkimus ei ainoastaan täytä valtavaa kysyntää, jonka datakeskukset luovat tehokkaiden ja monia aallonpituuksia sisältävien valonlähteiden osalta, vaan se merkitsee myös virstanpylvästä tiimin tavoitteessa edistää piisilaitteiden fotoniikkaa.

Tunnettu merkittävästi nopeamman tiedonsiirron mahdollistajana, kuluttaen vähemmän energiaa ja tuottaen vähemmän lämpöä kuin perinteiset elektroniset piirit, piisilaitteiden fotoniikka on löytänyt sovelluksia nopeissa datakeskuksissa, tekoälyssä, LiDARissa, kvanttiteknologioissa, IoT:ssä ja 5G:ssä.

Piisilaitteiden fotoniikka integroi valopohjaiset komponentit piisirulle käyttäen standardeja CMOS-valmistusprosesseja fotonisten integroituja piirejä (PIC) luodakseen. Se hyödyntää piisiläpäälaitteita (SOI) puolijohta alustana muodostaen valokulkuja ja muita komponentteja, jotka ohjaavat valoa nopeampaan, energiatehokkaampaan viestintään ja pienempiin, kustannustehokkaampiin laitteisiin.

“Kun tämä teknologia tulee yhä keskeisemmäksi kriittisessä infrastruktuurissa ja jokapäiväisessä elämässämme, tällainen edistys on olennaista varmistamaan, että datakeskukset ovat mahdollisimman tehokkaita.”

– Lipson

Miten itse-injektiolukitus puhdistaa ja moninkertaistaa valoa

Mikä on tehokkain laser, joka voidaan sijoittaa sirulle? Tämä kysymys johti tutkijat läpimurtoon.

Columbian tiimi valitsi monitilaista laseridiodia. Laseridiodi (LD) on puolijohde, joka tuottaa yksiväristä valoa tietyllä aallonpituudella. Monitilaiset laseridiodit, eli laajakaistaiset laserit (BAL), tarjoavat suurempia tehoja ja ovat ihanteellisia, kun tarvitaan suurta optista tehoa ja säteenlaatu ei ole kriittinen.

Nämä laitteet tuottavat laajemman säteen, mikä heikentää säteenlaatua, mutta lisää tehopitoisuutta. Monitilaisia laseridiodeja käytetään laajasti sovelluksissa kuten lääketieteellisissä laitteissa, tulostuksessa ja kuvantamisessa sekä laserleikkauslaitteissa. 

Vaikka ne tuottavat valtavan määrän valoa, näiden laserien säde on “hämyinen”, mikä tekee niiden hyödyntämisen tarkkoihin sovelluksiin vaikeaksi.

Monitilaisten laseridiodien integrointi piisilaitteiden sirulle, jossa valopolut ovat vain muutaman mikrometrin (μm) tai jopa satojen nanometrien (nm) levyisiä, vaatii kuitenkin tarkkaa suunnittelua.

Tämän voimakkaan mutta erittäin meluisan valolähteen puhdistamiseksi tiimi käytti lukitusmekanismia.

Itse-injektiolukitus otettiin käyttöön epälineaarisessa tilassa korkean sirun sisäisen tehon harjojen tuottamiseksi ja pumpauslähteen koherenssin puhdistamiseksi samanaikaisesti.

Injektiolukitus on taajuusilmiö, joka voi tapahtua, kun oskillaattoria häiritsee toinen, lähellä olevaa taajuutta toimiva oskillaattori. Kun taajuudet ovat tarpeeksi lähellä ja kytkentä on vahva, toinen oskillaattori voi kaapata ensimmäisen, aiheuttaen sen omaavan käytännössä saman taajuuden kuin toinen oskillaattori.

Tätä tekniikkaa käytetään pääasiassa jatkuvataajuus (CW) yksitaajuisiin laserlähteisiin, kun vaaditaan korkea teho, yhdistettynä erittäin alhaiseen intensiteettikohinaan ja vaihekohinaan.

Se perustuu piisilaitteiden fotoniikkaan muokkaamaan ja puhdistamaan laserin ulostuloa, tuottaen vakaamman ja puhtaamman säteen, jota kutsutaan korkeaksi koherenssiksi. Kun valo on puhdistettu, epälineaariset optiset ominaisuudet sirussa astuvat kuvaan, jakamalla yhden voimakkaan säteen kymmeniksi tasaisesti erotetuiksi väreiksi, mikä on taajuusharjan keskeinen ominaisuus.

Tuloksena syntyy kompakti, korkean hyötysuhteen valolähde, joka yhdistää teollisen laserin raakan tehon vakauteen ja tarkkuuteen, joita vaaditaan kehittyneessä viestinnässä ja tunnistuksessa.

Alhaisen koherenssin lähde integroidaan korkealla lähtöteholla ja piinitridi- rengasresonaattoreihin. Resonaattorit on suunniteltu normaalilla ryhmänopeusdispersiolla, mikä tarkoittaa, että nopeus vähenee, kun optinen taajuus kasvaa. Tämä tapahtuu, kun pidemmät valoaallot kulkevat nopeammin kuin lyhyemmät aallot väliaineessa, aiheuttaen optisten pulssien leviämisen ajan myötä.

Tiimin luomat mikroharjat saavuttivat sirun sisäisiä tehotasoja jopa 158 mW. Harjalinjat puolestaan ​​omistivat sisäisen viivanleveyden 200 kHz. Tutkijat osoittivat myös, että harjalinjat ylittivät 100 μW kahdesti enemmän kuin aiemmin raportoitu, ja sirun sisäiset tehotasot olivat kymmenkerran suuremmat kuin aikaisemmin raportoituja tuloksia.

“Uusi sähköisesti pumpattu mikroharjolähteemme täyttää koon, tehon ja viivanleveyden vaatimukset dataviestintään, ja se voi vaikuttaa merkittävästi muihin alueisiin, kuten korkean suorituskyvyn laskentaan ja yleisiin laitteisiin spektritunnistukseen ja ajanmittaukseen.” 

Läpimurto tapahtuu aikana, jolloin tekoälybuumi aiheuttaa räjähdysmäisen kasvun datakeskusten kapasiteettitarpeessa. Tämä kuormittaa niiden infrastruktuuria, kamppaillen tiedon nopean siirron kanssa. Tämän seurauksena yritykset rakentavat tekoälyyn erikoistunutta infrastruktuuria käsittelemään massiivisia laskennallisia vaatimuksia suurten tekoälymallien kouluttamiseen ja suorittamiseen.

Jo nyt kuituoptiset yhteydet ovat kehittyneiden datakeskusten käytössä datan siirtämiseen, mutta nekin riippuvat yksiaallonpituus laseista.

Kun kymmeniä säteitä kulkee rinnakkain saman yksittäisen kuidun läpi yhden säteen sijaan, joka kantaa vain yhden datavirran, taajuusharjat voivat dramaattisesti parantaa datakeskusten kykyjä.

Tämä sama periaate oli WDM:n (aallonpituusjakomultipleksauksen) taustalla, kuituoptinen teknologia, joka lähettää useita datavirtoja samanaikaisesti yhden optisen kuidun kautta antamalla jokaiselle virralle ainutlaatuisen valon aallonpituuden, merkittävästi lisäten datakapasiteettia ja mahdollistamalla suuremman kaistanleveyden. WDM auttoi internetiä kehittymään globaaliksi nopeaksi verkoksi 1990-luvun lopulla.

Nyt Lipsonin tiimi valmistaa korkean tehon, moniaallonpituuksisia harjoja niin pieniksi, että ne mahtuvat suoraan sirulle. Tämä saavutus tekee mahdolliseksi tuoda tämä kyky modernien tietojärjestelmien osiin, jotka ovat kompakteja ja kalliita.

Tällä tavoin sirut voivat muuttaa datakeskusten toimintaa virtaviivaistamalla tiedon siirtoa ja käsittelyä, vaikuttaen seuraavan sukupolven datakeskusten suunnitteluun ja moniin muihin laitteisiin, jotka riippuvat tehokkaasta optisesta viestinnästä. Nämä samat sirut voivat myös mahdollistaa kehittyneet LiDAR-järjestelmät, kompaktit kvanttialustat, äärimmäisen tarkat optiset kellot ja kannettavat spektrometrit.

“Tämä koskee laboratoriotason valolähteiden tuomista todellisiin laitteisiin. Jos voit tehdä niistä voimakkaita, tehokkaita ja riittävän pieniä, voit sijoittaa ne melkein minne tahansa.”

– Gil-Molina

Swipe to scroll →

Sijoittaminen laseriteknologiaan

Maailmanlaajuinen johtaja fotoniikka- ja laseriteknologioissa, Coherent Corp. (COHR ) valmistaa puolijohde-laseridiodeja ja suorituskykyisiä optisia komponentteja.

Ydinliiketoimintansa keskittyessä fotoniikkapohjaisten ratkaisujen kehittämiseen ja valmistukseen, jotka ovat kriittisiä nykypäivän kehittyneessä laskennassa ja tiedonsiirrossa, Coherent on vakiinnuttanut asemansa hallitsevana voimana optisen viestinnän alalla ja hallitsee vahvaa markkinaosuutta. 

Sen segmentteihin kuuluvat Verkostoituminen, joka hyödyntää yhdistepuolijohdeteknologiaa komponenttien ja alijärjestelmien toimittamiseen, Materiaalit, jotka sisältävät optoelektronisia laitteita, kuten piisilikon (SiC), gallium-antimonidi (GaSb), gallium-arsenidi (GaAs), indiumfosfid (InP), sinkkiseleniidi (ZnSe) ja sinkkisulfidi (ZnS) -pohjaisia, sekä Laserit-segmentti, joka palvelee teollisia asiakkaita puolijohteissa, tarkassa valmistuksessa sekä avaruus- ja puolustusalan, ja muita laser- ja optiikkatuotteiden kautta.

Coherent Corp. (COHR )

Laajan innovatiivisten fotoniikkapohjaisten tuotteiden valikoimansa ansiosta Coherent pystyy tarjoamaan räätälöityjä ja kokonaisvaltaisia ratkaisuja asiakkailleen sekä palvelemaan tekoälyinfrastruktuurin skaalautumistarpeita.

Strateginen keskittyminen tekoälymarkkinoihin asettaa Coherentin potentiaaliseksi merkittäväksi hyötyjäksi käynnissä olevaan tekoälyn kasvuun. Tämä on lisäys kasvavaan kysyntään suorituskykyisille optisille komponenteille. Samalla yritys kohtaa haasteita lisääntyneestä kilpailusta sekä tekoäly- että optisen viestinnän sektoreilla.

Kun tarkastellaan Coherentin markkinasuorituskykyä, se nauttii noususuhdanteesta, aivan kuten laaja osakemarkkina. Tähän mennessä vuoden aikana osake on noussut 29,16 %, COHR-osakkeet käyvät tällä hetkellä hintaan 123,70 $, kirjoitushetkellä – uusi kaikkien aikojen korkein taso (ATH), mikä asettaa yrityksen markkina-arvoksi 19,20 miljardia $.

Huhtikuussa COHR-osakkeet olivat pudonneet 50 $:iin, kun osakemarkkinat kokivat korjauksen, ja siitä lähtien Coherentin osakkeet ovat nousseet noin 146 %. Vain kaksi vuotta sitten COHR käytiin alle 30 $:n hintaan, mikä edusti vahvaa elpymistä.

Tämän myötä yritys raportoi EPS:n (TTM) -0,62 ja P/E:n (TTM) -198,72.

Coherentin taloudellisesta tilanteesta: se raportoi ennätyksellisen liikevaihdon 1,53 miljardia $ neljännelle neljännekselle, jonka päättyessä 30. kesäkuuta 2025. GAAP-kateprosentti oli kyseisenä aikana 35,7 % ja GAAP-nettotappio 0,83 $ per laimennettu osake, kun taas ei-GAAP-pohjalta sen kateprosentti oli 38,1 % ja nettotulos per laimennettu osake 1,00 $.

Koko tilikaudelle 2025 sen liikevaihto oli myös ennätys 5,81 miljardia $. GAAP-kateprosentti oli 35,2 % ja GAAP-nettotappio 0,52 $ per laimennettu osake, kun taas ei-GAAP-kateprosentti oli 37,9 % ja nettotulos per laimennettu osake 3,53 $.

“Toimitimme vahvan tilikauden 2025, jossa liikevaihto kasvoi 23 % ja ei-GAAP EPS laajeni 191 %. Uskomme, että olemme hyvin asemoitut jatkamaan vahvaa liikevaihto- ja voitto kasvua pitkällä aikavälillä, kun otetaan huomioon altistuksemme keskeisille kasvun ajureille, kuten tekoälydatakeskuksille.”

Tänä neljänneksenä yritys aloitti 1,6 T transceiver-tuotteidensa lähetykset, mahdollistaen korkean suorituskyvyn tekoälydatakeskus-sovellukset. Uusi timantti-SiC-yhdiste materiaali otettiin myös käyttöön näiden datakeskusten kehittyneeseen jäähdytykseen.

Lisäksi Coherent näki ensimmäisen tulonsa optisesta piirikytkentäkytkimestä (OCS) ja esitteli excimer-laserialustan, joka on päivitetty korkean lämpötilan superjohtimien nauhojen tuotantoon nousevassa energiateknologiassa, kuten fuusiossa.

Viimeisten viikkojen aikana Coherent on julkaissut useita uusia tuotteita, mukaan lukien kokonainen sarja nelikanava-IC:itä, jotka mahdollistavat tehokkaammat ja nopeammat optiset transceiverit tekoälyyn ja pilvipalveluihin, alan ensimmäinen QSFP28 Dual Laser 100G ZR -ratkaisu maksimoimaan kapasiteetin olemassa olevassa kuituinfrastruktuurissa, sekä 400 mW korkean tehon jatkuva-aalto lasereita, jotka täyttävät vaativat vaatimukset yhteispaketoiduille optiikoille ja piisilaitteiden sovelluksille.

Äskettäin Coherent esitteli seuraavan sukupolven 2D VCSEL- ja fotodiodi (PD) -arrangemangit vastatakseen modernien datakeskusten kasvavaan dataliikenteen tarpeeseen.

Muutama viikko sitten Coherent teki muutoksia, jotka sisältävät olemassa olevien kiertolainojen uudelleenrahoituksen ja kokonaisrahoituksen nostamisen 700 miljoon dollariin, sen luottosopimukseen JPMorgan Chase Bankin (JPM ) ja muiden lainanantajien kanssa, parantaen yrityksen likviditeettiä ja taloudellista joustavuutta tukemaan toimintoja ja kasvua.

Yhteenveto

Columbia University on saavuttanut insinööritason saavutuksen, osoittaen, miten odottamattomat hetket tieteessä voivat johtaa vielä suurempiin ja parempiin löytöihin, joilla on kyky määritellä kokonaisia aloja uudelleen. Muuntamalla yksi hämyinen säde kymmeniksi voimakkaiksi, vakailta valokanaville tiimi on luonut perustan seuraavan sukupolven optisille järjestelmille.

LiDARin mullistamisesta ja kvanttialustojen pienentämisestä tekoälyohjattujen datakeskusten kapasiteetin kasvattamiseen, tämä teknologia edustaa merkittävää harppaa fotoniikan integraatiossa. Ja kun maailma etenee kohti nopeampia, energiatehokkaampia viestintäjärjestelmiä, kompaktit taajuusharjasirut voivat muodostua tulevan laskentainfrastruktuurin perustaksi.

Klikkaa tästä oppiaksesi kaiken tekoälyyn sijoittamisesta.

Lähteet

1. Gil-Molina, A., Antman, Y., Westreich, O., ym. (2025). Korkean tehon sähköisesti pumpatut mikroharjat. Nature Photonics, 19(10), 873–879. Julkaistu 7. lokakuuta 2025. https://doi.org/10.1038/s41566-025-01769-z

Columbian insinööritieteiden tutkijat ovat luoneet uuden sirun, joka voi muuntaa laserin “taajuusharjaksi”, tuottaen samanaikaisesti useita voimakkaita valokanavia.

Hyödyntämällä erityistä lukitusmekanismia tutkijat puhdistivat hämyisen laservalon ja saavuttivat laboratoriotason tarkkuuden pienessä piisirussa. Tämä saavutus voi merkittävästi parantaa datakeskusten tehokkuutta ja edistää innovaatioita LiDARissa, tunnistuksessa ja kvanttiteknologiassa.

Mikroharjat kutistavat laboratoriotason tarkkuuden sirulle 

Tutkijat loivat korkean tehon mikroharjolaiteen LiDAR- (Light Detection and Ranging) teknologian parantamiseksi.

LiDAR on etämittausteknologia, joka käyttää pulssivaloa etäisyyksien laskemiseen ja korkean tarkkuuden 3D-mallien luomiseen ympäristöstä. Se toimii kuin tutka, mutta käyttää valoa äänen sijaan.

Järjestelmä lähettää laserpulssit ja mittaa niiden paluuajan tarkkojen etäisyyksien mittaamiseksi kohteisiin ja liiketiedon seuraamiseksi reaaliajassa.

Koostuen laserista, skannerista ja erikoistuneesta GPS-vastaanottimesta, LiDAR-instrumentti tuottaa yksityiskohtaisen ‘pistepilven’ dataa, jota käytetään sitten 3D-karttojen luomiseen sovelluksiin kuten autonominen ajo, ympäristön seuranta, kartoitus ja arkeologia.

Teknologia kehitettiin jo 1960-luvulla, alun perin sovellettuna meteorologiaan, merentutkimukseen ja topografiseen kartoitukseen, ennen kuin NASA laajensi sen käyttöä avaruudessa. 2010-luvulla kaupalliset autot alkoivat hyödyntää LiDARia, ja siitä lähtien autoliDAR on tullut erittäin suosituksi huippuluokan sähköautoissa.

LiDARin kasvavan soveltamisen myötä tutkijat ovat jatkuvasti työskennelleet teknologian parantamiseksi. Monet jännittävät laseriteknologian innovaatiot on integroituna kehittyneeseen optiikkaan, mikä mahdollistaa entistä pienentämisen ja lupaa pitkän aikavälin tulevaisuutta LiDAR-järjestelmille.

Columbia Universityn insinööri- ja soveltavan tieteen koulun tutkijoiden keskeinen tavoite oli löytää keino vapauttaa suurempaa tehoa ja spektripuhdistusta kompakteista lasersysteemeistä, jotta sirun mittakaavan taajuusharjojen generointi voitaisiin mahdollistaa viestinnän, tunnistuksen, spektroskopian, LiDARin ja muiden integroitujen fotoniikkasovellusten parantamiseksi.

Näin ollen he ovat luoneet mikroharjan, pienen fotoniikkalaitteen, joka tuottaa sarjan tasaisesti erotettuja optisia taajuuksia, kuin harjan hampaat, sirulle.

Nämä integroidut pienikokoiset taajuusharjat voivat pienentää perinteisesti näihin sovelluksiin vaadittavien monimutkaisten järjestelmien kokoa. Siten integroidut mikroharjat ovat lupaavia lukuisissa sovelluksissa, jotka vaativat suurta lähtötehoa, pientä jalanjälkeä ja korkeaa tehokkuutta, kuten spektroskopiaa, tunnistusta ja dataviestintää.

Äskettäin tutkijat ovat osoittaneet sähköisesti pumpattuja mikroharjoja integroimalla vahvistuspiirit (puolijohteisia optisia elementtejä) huippuluokan resonansseihin. Kuitenkin niiden kokonaisoptinen teho on edelleen paljon alhaisempi kuin mitä käytännölliset ratkaisut vaativat.

Tämä rajoitus on ratkaistu Columbia-tutkijoiden toimesta, jotka osoittivat korkean tehon sähköisesti pumpattuja Kerr-taajuusmikroharjoja. 

Hämyisistä diodista puhtaisiin mikroharjoihin

Mielenkiintoista on, että tämä oli vahinko. Muutama vuosi sitten Michal Lipsonin, Eugene Higginsin sähkötekniikan professori ja soveltavan fysiikan professori, laboratoriossa työskentelevät tutkijat olivat kehittämässä projektia LiDAR-kyvykkyyden parantamiseksi, kun he huomasivat jotain uskomatonta.

He suunnittelivat korkean tehon siruja, jotka voisivat tuottaa kirkkaampia valonsäteitä, ja “kun lähetimme yhä enemmän tehoa sirun läpi, huomasimme sen luovan sen, mitä kutsumme taajuusharjaksi”, sanoi Andres Gil-Molina, entinen postdoc-tutkija Lipsonin laboratoriossa ja nykyinen pääinsinööri Xscape Photonicsissa.

Taajuusharja on spektri, joka koostuu erillisistä ja säännöllisesti erotetuista spektrilinjoista. Tämä tarkoittaa, että tämä erityinen valon tyyppi sisältää eri värejä, jotka ovat vierekkäin järjestäytyneessä muodossa, kuten sateenkaarella.

Tässä kymmeniä valotaajuuksia loistaa. Mutta näiden eri värien tai taajuuksien väliin jäävät aukot pysyvät pimeinä. Joten kun tarkastelet näitä eri kirkkaita taajuuksia spektrogrammissa, ne näyttävät piikeiltä tai harjan hampaiden kaltaisilta, mistä nimi tulee.

Koska eri valovärit eivät häiritse toisiaan, jokainen hammas toimii omana kanavanaan, tarjoten uskomattoman mahdollisuuden lähettää useita datavirtoja samanaikaisesti.

Vaikka se on äärimmäisen hyödyllistä, voimakkaan taajuusharjan luominen vaatii suuria ja kalliita laseja ja vahvistimia.

Julkaistu Nature Photonics¹, artikkeli kuvaa, miten sama voidaan toteuttaa yhdellä sirulla. 

“Kehittämämme teknologia ottaa erittäin voimakkaan laserin ja muuntaa sen kymmeniksi puhtaiksi, korkean tehon kanaviksi sirulle. Tämä tarkoittaa, että voit korvata useita erillisiä laseja yhdellä kompaktilla laitteella, mikä vähentää kustannuksia, säästää tilaa ja avaa oven paljon nopeammille, energiatehokkaammille järjestelmille.”

– Gil-Molina

Tämä tutkimus ei ainoastaan täytä valtavaa kysyntää, jonka datakeskukset luovat tehokkaiden ja monia aallonpituuksia sisältävien valonlähteiden osalta, vaan se merkitsee myös virstanpylvästä tiimin tavoitteessa edistää piisilaitteiden fotoniikkaa.

Tunnettu merkittävästi nopeamman tiedonsiirron mahdollistajana, kuluttaen vähemmän energiaa ja tuottaen vähemmän lämpöä kuin perinteiset elektroniset piirit, piisilaitteiden fotoniikka on löytänyt sovelluksia nopeissa datakeskuksissa, tekoälyssä, LiDARissa, kvanttiteknologioissa, IoT:ssä ja 5G:ssä.

Piisilaitteiden fotoniikka integroi valopohjaiset komponentit piisirulle käyttäen standardeja CMOS-valmistusprosesseja fotonisten integroituja piirejä (PIC) luodakseen. Se hyödyntää piisiläpäälaitteita (SOI) puolijohta alustana muodostaen valokulkuja ja muita komponentteja, jotka ohjaavat valoa nopeampaan, energiatehokkaampaan viestintään ja pienempiin, kustannustehokkaampiin laitteisiin.

“Kun tämä teknologia tulee yhä keskeisemmäksi kriittisessä infrastruktuurissa ja jokapäiväisessä elämässämme, tällainen edistys on olennaista varmistamaan, että datakeskukset ovat mahdollisimman tehokkaita.”

– Lipson

Miten itse-injektiolukitus puhdistaa ja moninkertaistaa valoa

Mikä on tehokkain laser, joka voidaan sijoittaa sirulle? Tämä kysymys johti tutkijat läpimurtoon.

Columbian tiimi valitsi monitilaista laseridiodia. Laseridiodi (LD) on puolijohde, joka tuottaa yksiväristä valoa tietyllä aallonpituudella. Monitilaiset laseridiodit, eli laajakaistaiset laserit (BAL), tarjoavat suurempia tehoja ja ovat ihanteellisia, kun tarvitaan suurta optista tehoa ja säteenlaatu ei ole kriittinen.

Nämä laitteet tuottavat laajemman säteen, mikä heikentää säteenlaatua, mutta lisää tehopitoisuutta. Monitilaisia laseridiodeja käytetään laajasti sovelluksissa kuten lääketieteellisissä laitteissa, tulostuksessa ja kuvantamisessa sekä laserleikkauslaitteissa. 

Vaikka ne tuottavat valtavan määrän valoa, näiden laserien säde on “hämyinen”, mikä tekee niiden hyödyntämisen tarkkoihin sovelluksiin vaikeaksi.

Monitilaisten laseridiodien integrointi piisilaitteiden sirulle, jossa valopolut ovat vain muutaman mikrometrin (μm) tai jopa satojen nanometrien (nm) levyisiä, vaatii kuitenkin tarkkaa suunnittelua.

Tämän voimakkaan mutta erittäin meluisan valolähteen puhdistamiseksi tiimi käytti lukitusmekanismia.

Itse-injektiolukitus otettiin käyttöön epälineaarisessa tilassa korkean sirun sisäisen tehon harjojen tuottamiseksi ja pumpauslähteen koherenssin puhdistamiseksi samanaikaisesti.

Injektiolukitus on taajuusilmiö, joka voi tapahtua, kun oskillaattoria häiritsee toinen, lähellä olevaa taajuutta toimiva oskillaattori. Kun taajuudet ovat tarpeeksi lähellä ja kytkentä on vahva, toinen oskillaattori voi kaapata ensimmäisen, aiheuttaen sen omaavan käytännössä saman taajuuden kuin toinen oskillaattori.

Tätä tekniikkaa käytetään pääasiassa jatkuvataajuus (CW) yksitaajuisiin laserlähteisiin, kun vaaditaan korkea teho, yhdistettynä erittäin alhaiseen intensiteettikohinaan ja vaihekohinaan.

Se perustuu piisilaitteiden fotoniikkaan muokkaamaan ja puhdistamaan laserin ulostuloa, tuottaen vakaamman ja puhtaamman säteen, jota kutsutaan korkeaksi koherenssiksi. Kun valo on puhdistettu, epälineaariset optiset ominaisuudet sirussa astuvat kuvaan, jakamalla yhden voimakkaan säteen kymmeniksi tasaisesti erotetuiksi väreiksi, mikä on taajuusharjan keskeinen ominaisuus.

Tuloksena syntyy kompakti, korkean hyötysuhteen valolähde, joka yhdistää teollisen laserin raakan tehon vakauteen ja tarkkuuteen, joita vaaditaan kehittyneessä viestinnässä ja tunnistuksessa.

Alhaisen koherenssin lähde integroidaan korkealla lähtöteholla ja piinitridi- rengasresonaattoreihin. Resonaattorit on suunniteltu normaalilla ryhmänopeusdispersiolla, mikä tarkoittaa, että nopeus vähenee, kun optinen taajuus kasvaa. Tämä tapahtuu, kun pidemmät valoaallot kulkevat nopeammin kuin lyhyemmät aallot väliaineessa, aiheuttaen optisten pulssien leviämisen ajan myötä.

Tiimin luomat mikroharjat saavuttivat sirun sisäisiä tehotasoja jopa 158 mW. Harjalinjat puolestaan ​​omistivat sisäisen viivanleveyden 200 kHz. Tutkijat osoittivat myös, että harjalinjat ylittivät 100 μW kahdesti enemmän kuin aiemmin raportoitu, ja sirun sisäiset tehotasot olivat kymmenkerran suuremmat kuin aikaisemmin raportoituja tuloksia.

“Uusi sähköisesti pumpattu mikroharjolähteemme täyttää koon, tehon ja viivanleveyden vaatimukset dataviestintään, ja se voi vaikuttaa merkittävästi muihin alueisiin, kuten korkean suorituskyvyn laskentaan ja yleisiin laitteisiin spektritunnistukseen ja ajanmittaukseen.” 

Läpimurto tapahtuu aikana, jolloin tekoälybuumi aiheuttaa räjähdysmäisen kasvun datakeskusten kapasiteettitarpeessa. Tämä kuormittaa niiden infrastruktuuria, kamppaillen tiedon nopean siirron kanssa. Tämän seurauksena yritykset rakentavat tekoälyyn erikoistunutta infrastruktuuria käsittelemään massiivisia laskennallisia vaatimuksia suurten tekoälymallien kouluttamiseen ja suorittamiseen.

Jo nyt kuituoptiset yhteydet ovat kehittyneiden datakeskusten käytössä datan siirtämiseen, mutta nekin riippuvat yksiaallonpituus laseista.

Kun kymmeniä säteitä kulkee rinnakkain saman yksittäisen kuidun läpi yhden säteen sijaan, joka kantaa vain yhden datavirran, taajuusharjat voivat dramaattisesti parantaa datakeskusten kykyjä.

Tämä sama periaate oli WDM:n (aallonpituusjakomultipleksauksen) taustalla, kuituoptinen teknologia joka lähettää useita datavirtoja samanaikaisesti yhden optisen kuidun kautta antamalla jokaiselle virralle ainutlaatuisen valon aallonpituuden, merkittävästi lisäten datakapasiteettia ja sallien suuremman kaistanleveyden. WDM auttoi internetiä kehittymään globaaliksi nopeaksi verkoksi 1990-luvun lopulla.

Nyt Lipsonin tiimi valmistaa korkean tehon, moniaallonpituisia harjoja niin pieniksi, että ne mahtuvat suoraan sirulle. Tämä saavutus tekee mahdolliseksi tuoda tämä kyky modernien tietojärjestelmien osiin, jotka ovat kompakteja ja kalliita.

Tällä tavoin sirut voivat muuttaa datakeskusten toimintaa virtaviivaistamalla tiedon siirtoa ja käsittelyä, vaikuttaen seuraavan sukupolven datakeskusten suunnitteluun ja moniin muihin laitteisiin, jotka riippuvat tehokkaasta optisesta viestinnästä. Nämä samat sirut voivat myös mahdollistaa kehittyneet LiDAR-järjestelmät, kompaktit kvanttialustat, äärimmäisen tarkat optiset kellot ja kannettavat spektrometrit.

“Tämä koskee laboratoriotason valolähteiden tuomista todellisiin laitteisiin. Jos voit tehdä niistä voimakkaita, tehokkaita ja riittävän pieniä, voit sijoittaa ne melkein minne tahansa.”

– Gil-Molina

Swipe to scroll →

Sijoittaminen laseriteknologiaan

Maailmanlaajuinen johtaja fotoniikka- ja laseriteknologioissa, Coherent Corp. (COHR ) valmistaa puolijohde-laseridiodeja ja suorituskykyisiä optisia komponentteja.

Ydinliiketoimintansa keskittyessä fotoniikkapohjaisten ratkaisujen kehittämiseen ja valmistukseen, jotka ovat kriittisiä nykypäivän kehittyneessä laskennassa ja tiedonsiirrossa, Coherent on vakiinnuttanut asemansa hallitsevana voimana optisen viestinnän alalla ja hallitsee vahvaa markkinaosuutta. 

Sen segmentteihin kuuluvat Verkostoituminen, joka hyödyntää yhdistepuolijohdeteknologiaa komponenttien ja alijärjestelmien toimittamiseen, Materiaalit, jotka sisältävät optoelektronisia laitteita, kuten piisilikon (SiC), gallium-antimonidi (GaSb), gallium-arsenidi (GaAs), indiumfosfid (InP), sinkkiseleniidi (ZnSe) ja sinkkisulfidi (ZnS) -pohjaisia, sekä Laserit-segmentti, joka palvelee teollisia asiakkaita puolijohteissa, tarkassa valmistuksessa sekä avaruus- ja puolustusalan, ja muita laser- ja optiikkatuotteiden kautta.

Coherent Corp. (COHR )

Laajan innovatiivisten fotoniikkapohjaisten tuotteiden valikoimansa ansiosta Coherent pystyy tarjoamaan räätälöityjä ja kokonaisvaltaisia ratkaisuja asiakkailleen sekä palvelemaan tekoälyinfrastruktuurin skaalautumistarpeita.

Strateginen keskittyminen tekoälymarkkinoihin asettaa Coherentin potentiaaliseksi merkittäväksi hyötyjäksi käynnissä olevaan tekoälyn kasvuun. Tämä on lisäys kasvavaan kysyntään suorituskykyisille optisille komponenteille. Samalla yritys kohtaa haasteita lisääntyneestä kilpailusta sekä tekoäly- että optisen viestinnän sektoreilla.

Kun tarkastellaan Coherentin markkinasuorituskykyä, se nauttii noususuhdanteesta, aivan kuten laaja osakemarkkina. Tähän mennessä vuoden aikana osake on noussut 29,16 %, COHR-osakkeet käyvät tällä hetkellä hintaan 123,70 $, kirjoitushetkellä – uusi kaikkien aikojen korkein taso (ATH), mikä asettaa yrityksen markkina-arvoksi 19,20 miljardia $.

Huhtikuussa COHR-osakkeet olivat pudonneet 50 $:iin, kun osakemarkkinat kokivat korjauksen, ja siitä lähtien Coherentin osakkeet ovat nousseet noin 146 %. Vain kaksi vuotta sitten COHR käytiin alle 30 $:n hintaan, mikä edusti vahvaa elpymistä.

Tämän myötä yritys raportoi EPS:n (TTM) -0,62 ja P/E:n (TTM) -198,72.

Coherentin taloudellisesta tilanteesta: se raportoi ennätyksellisen liikevaihdon 1,53 miljardia $ neljännelle neljännekselle, jonka päättyessä 30. kesäkuuta 2025. GAAP-kateprosentti oli kyseisenä aikana 35,7 % ja GAAP-nettotappio 0,83 $ per laimennettu osake, kun taas ei-GAAP-pohjalta sen kateprosentti oli 38,1 % ja nettotulos per laimennettu osake 1,00 $.

Koko tilikaudelle 2025 sen liikevaihto oli myös ennätys 5,81 miljardia $. GAAP-kateprosentti oli 35,2 % ja GAAP-nettotappio 0,52 $ per laimennettu osake, kun taas ei-GAAP-kateprosentti oli 37,9 % ja nettotulos per laimennettu osake 3,53 $.

“Toimitimme vahvan tilikauden 2025, jossa liikevaihto kasvoi 23 % ja ei-GAAP EPS laajeni 191 %. Uskomme, että olemme hyvin asemoitut jatkamaan vahvaa liikevaihto- ja voitto kasvua pitkällä aikavälillä, kun otetaan huomioon altistuksemme keskeisille kasvun ajureille, kuten tekoälydatakeskuksille.”

Tänä neljänneksenä yritys aloitti 1,6 T transceiver-tuotteidensa lähetykset, mahdollistaen korkean suorituskyvyn tekoälydatakeskus-sovellukset. Uusi timantti-SiC-yhdiste materiaali otettiin myös käyttöön näiden datakeskusten kehittyneeseen jäähdytykseen.

Lisäksi Coherent näki ensimmäisen tulonsa optisesta piirikytkentäkytkimestä (OCS) ja esitteli excimer-laserialustan, joka on päivitetty korkean lämpötilan superjohtimien nauhojen tuotantoon nousevassa energiateknologiassa, kuten fuusiossa.

Viimeisten viikkojen aikana Coherent on julkaissut useita uusia tuotteita, mukaan lukien kokonainen sarja nelikanava-IC:itä, jotka mahdollistavat tehokkaammat ja nopeammat optiset transceiverit tekoälyyn ja pilvipalveluihin, alan ensimmäinen QSFP28 Dual Laser 100G ZR -ratkaisu maksimoimaan kapasiteetin olemassa olevassa kuituinfrastruktuurissa, sekä 400 mW korkean tehon jatkuva-aalto lasereita, jotka täyttävät vaativat vaatimukset yhteispaketoiduille optiikoille ja piisilaitteiden sovelluksille.

Äskettäin Coherent esitteli seuraavan sukupolven 2D VCSEL- ja fotodiodi (PD) -arrangemangit vastatakseen modernien datakeskusten kasvavaan dataliikenteen tarpeeseen.

Muutama viikko sitten Coherent teki muutoksia, jotka sisältävät olemassa olevien kiertolainojen uudelleenrahoituksen ja kokonaisrahoituksen nostamisen 700 miljoon dollariin, sen luottosopimukseen JPMorgan Chase Bankin (JPM ) ja muiden lainanantajien kanssa, parantaen yrityksen likviditeettiä ja taloudellista joustavuutta tukemaan toimintoja ja kasvua.

Yhteenveto

Columbia University on saavuttanut insinööritason saavutuksen, osoittaen, miten odottamattomat hetket tieteessä voivat johtaa vielä suurempiin ja parempiin löytöihin, joilla on kyky määritellä kokonaisia aloja uudelleen. Muuntamalla yksi hämyinen säde kymmeniksi voimakkaiksi, vakailta valokanaville tiimi on luonut perustan seuraavan sukupolven optisille järjestelmille.

LiDARin mullistamisesta ja kvanttialustojen pienentämisestä tekoälyohjattujen datakeskusten kapasiteetin kasvattamiseen, tämä teknologia edustaa merkittävää harppaa fotoniikan integraatiossa. Ja kun maailma etenee kohti nopeampia, energiatehokkaampia viestintäjärjestelmiä, kompaktit taajuusharjasirut voivat muodostua tulevan laskentainfrastruktuurin perustaksi.

Klikkaa tästä oppiaksesi kaiken tekoälyyn sijoittamisesta.

Lähteet

1. Gil-Molina, A., Antman, Y., Westreich, O., ym. (2025). Korkean tehon sähköisesti pumpatut mikroharjat. Nature Photonics, 19(10), 873–879. Julkaistu 7. lokakuuta 2025. https://doi.org/10.1038/s41566-025-01769-z