Sirumittakaavan taajuuskammat pyörittävät datan tulevaisuutta

Columbia Engineeringin tutkijat ovat luoneet uuden sirun, joka voi muuttaa laserin "taajuuskammaksi" ja tuottaa useita tehokkaita valokanavia samanaikaisesti.

Käyttämällä erityistä lukitusmekanismia tutkijat puhdistivat sotkuisen laservalon ja saavuttivat laboratoriotason tarkkuuden pienellä piilaitteella.Tämä saavutus voi parantaa merkittävästi datakeskusten tehokkuutta ja edistää innovaatioita LiDARissa, sensoritekniikassa ja kvanttiteknologiassa.

Mikrokennot kutistuvat laboratoriotason tarkkuutta sirulle 

Tutkijat loivat suuritehoisen mikrokampilaitteen parantaakseen LiDAR-teknologiaa (Light Detection and Ranging).

LiDAR on kaukokartoitustekniikka, joka käyttää pulssitettua laservaloa etäisyyksien laskemiseen ja ympäristön korkearesoluutioisten 3D-mallien luomiseen. Se toimii kuten tutka, mutta käyttää valoa äänen sijaan.

Järjestelmä lähettää laserpulsseja ja ajoittaa niiden paluumatkan mitatakseen tarkat etäisyydet kohteisiin ja seuratakseen liikettä reaaliajassa.

Koostuu laserista, skannerista ja erikoistuneesta GPS-vastaanottimesta, LiDAR laite tuottaa yksityiskohtaisen "pistepilven" datasta, jota sitten käytetään 3D-karttojen luomiseen sovelluksiin, kuten autonomiseen ajamiseen, ympäristön seurantaan, maanmittaukseen ja arkeologiaan.

Teknologia keksittiin jo 1960-luvulla, ja sitä sovellettiin alun perin meteorologiaan, valtamerten havainnointiin ja topografiseen kartoitukseen, ennen kuin NASA laajensi sen käyttöä avaruuteen. 2010-luvulla kaupalliset autot alkoivat käyttää LiDARia, ja siitä lähtien autojen LiDARista on tullut erittäin suosittua huippuluokan sähköautoissa.

LiDARin kasvavan käytön vuoksi tutkijat ovat jatkuvasti työskennelleet teknologian parantamiseksi. Monet jännittävät laserteknologioiden innovaatiot on integroitu edistyneeseen optiikkaan, mikä mahdollistaa edelleen pienentämisen ja lupaa LiDAR-järjestelmien pitkän aikavälin tulevaisuutta.

Columbian yliopiston teknillisen tiedekunnan tutkijoiden tavoitteena oli löytää tapa vapauttaa suurempi teho ja spektraalinen puhtaus kompakteista laserjärjestelmistä, jotta sirumittakaavan taajuuskampageneraattori olisi mahdollinen. parantaa tietoliikenne, sensoritekniikka, spektroskopia, LiDAR ja muut integroidut fotoniikan sovellukset.

Niinpä he ovat luoneet mikrokombin, pienoiskoossa olevan fotonisen laitteen, joka tuottaa sarjan tasaisesti toisistaan ​​etäisyydellä olevia optisia taajuuksia, kuin kamman piikit sirulla.

Näillä integroiduilla miniatyyritaajuuskammoilla on potentiaalia pienentää tällaisissa sovelluksissa perinteisesti tarvittavien monimutkaisten järjestelmien kokoa. Näin ollen integroidut mikrokammat ovat lupaavia lukuisissa sovelluksissa, jotka vaativat suuri lähtöteho, pieni jalanjälki ja korkea hyötysuhde, kuten spektroskopia, sensorit ja tietoliikenne.

Tutkijat ovat viime aikoina esitelleet sähköisesti pumpattuja mikrokombeja integroimalla vahvistussiruja (puolijohdeoptisia elementtejä) huippuluokan resonaattoreihin. Niiden kokonaisoptinen teho on kuitenkin edelleen paljon pienempi kuin mitä käytännön ratkaisut tarvitsevat.

Tällä rajoituksella on käsitelty Columbian tutkijat, jotka esittelivät suuritehoisia sähköisesti pumpattuja Kerr-taajuusmikrokombeja. 

"Sotkuisista" diodeista puhtaisiin mikrokomboihin

Mielenkiintoista kyllä, tämä oli sattumanvarainen löytö. Muutama vuosi sitten tutkijat yhdessä kirjoittajan Michal Lipsonin laboratoriossa Eugene Higgins, sähkötekniikan professori ja sovelletun fysiikan professori, työskentelivät LiDAR-ominaisuuksien parantamiseen tähtäävän projektin parissa kun he huomasi jotain uskomatonta.

He suunnittelivat tehokkaita siruja, jotka voisivat tuottaa kirkkaampia valonsäteitä, ja ”kun lähetimme yhä enemmän tehoa sirun läpi, huomasimme, että se loi niin sanotun taajuuskamman”, sanoi Andres Gil-Molina, entinen postdoc-tutkija Lipsonin laboratoriossa ja tällä hetkellä Xscape Photonicsin pääinsinööri.

Taajuuskampa on spektri, joka koostuu erillisistä ja säännöllisesti toisistaan ​​etäisyydellä olevista spektriviivoista. Tämä tarkoittaa, että tämä erityinen valon tyyppi sisältää eri värejä vierekkäin järjestetyssä järjestyksessä, kuten sateenkaaressa näkyy.

Tässä loistaa kymmeniä valon taajuuksia. Mutta näiden eri värien tai taajuuksien väliset aukot pysyvät tummina. Joten kun tarkastellaan näitä eri kirkkaita taajuuksia spektrogrammissa, ne näyttävät piikkeiltä tai kampan hampaat, tästä nimi.

Koska eri valon värit eivät häiritse toisiaan, jokainen hammas toimii omana kanavanaan, mikä tarjoaa uskomattoman mahdollisuuden lähettää useita tietovirtoja samanaikaisesti.

Vaikka tehokkaan taajuuskamman luominen on erittäin hyödyllistä, se vaatii suuria ja kalliita lasereita ja vahvistimia. 

Julkaistu Luonto Fotoniikka¹, lehdessä kerrotaan yksityiskohtaisesti, miten sama asia voidaan tehdä yhdellä sirulla. 

”Kehittämämme teknologia muuntaa erittäin tehokkaan laserin kymmeniksi puhtaiksi, tehokkaiksi kanaviksi sirulla. Tämä tarkoittaa, että yksittäisten lasereiden telineet voidaan korvata yhdellä kompaktilla laitteella, mikä leikkaa kustannuksia, säästää tilaa ja avaa oven paljon nopeampiin ja energiatehokkaampiin järjestelmiin.”

– Gil-Molina

Tämä tutkimus ei ainoastaan ​​voi täyttää datakeskusten valtavaa kysyntää tehokkaille ja tehokkaille valonlähteille, jotka sisältävät useita aallonpituuksia, vaan se on myös virstanpylväs tiimin tehtävässä edistää piifotoniikan kehitystä.

Tunnettu huomattavasti nopeamman tiedonsiirron mahdollistamisesta samalla kun se kuluttaa vähemmän virtaa ja tuottaa vähemmän lämpöä kuin perinteinen Elektronisten piirien ohella piifotoniikkaa on käytetty laajalti nopeissa datakeskuksissa, tekoälyssä, LiDARissa, kvanttiteknologioissa, esineiden internetissä ja 5G:ssä.

Piifotoniikka integroi valoon perustuvia komponentteja piisirulle käyttäen CMOS-standardin mukaisia ​​valmistusprosesseja fotonisten integroitujen piirien (PIC) luomiseksi. Se käyttää piieristeellä (SOI) varustettuja kiekkoja puolijohdealustana aaltojohteiden ja muiden valoa ohjaavien komponenttien muodostamiseksi nopeampaa, energiatehokkaampaa tiedonsiirtoa ja pienempiä, kustannustehokkaampia laitteita varten.

”Koska tästä teknologiasta on tulossa yhä keskeisempi osa kriittistä infrastruktuuria ja jokapäiväistä elämäämme, tämäntyyppinen edistys on välttämätöntä sen varmistamiseksi, että datakeskukset ovat mahdollisimman tehokkaita.”

– Lipson

Kuinka itseinjektoiva lukitus puhdistaa ja moninkertaistaa valon

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

Columbian tiimi valitsi monimuotolaserdiodin. Laserdiodi (LD) on puolijohdelaite, joka tuottaa yksiväristä valoa tietyllä aallonpituudella. Monimuotolaserdiodit eli laaja-alaiset laserit (BAL) tarjoavat suuremman tehon ja sopivat erinomaisesti tilanteisiin, joissa tarvitaan suurta optista tehoa ja säteen laatu ei ole niin kriittinen.

Nämä laitteet tuottavat leveämmän säteen, mikä heikentää säteen laatua. mutta lisää tehotiheyttä. Monimuotolaserdiodeja käytetään laajalti sovelluksissa, kuten lääketieteelliset laitteet, tulostus- ja kuvantamislaitteet sekä laserleikkaustyökalut. 

Vaikka nämä laserit tuottavat valtavia määriä valoa, niiden säde on "sotkuinen", mikä vaikeuttaa niiden käyttöä tarkkoihin sovelluksiin. 

Monimuotolaserdiodin integrointi piifotoniikkasiruun, jossa valon reitit ovat vain yhtä leveä kuin juuri ja juuri muutamia mikrometrejä (μm) tai jopa satoja nanometrejä (nm), kuitenkin, vaatii huolellista suunnittelua.

Tämän voimakkaan mutta erittäin meluisan valonlähteen puhdistamiseksi tiimi käytti lukitusmekanismia.

Itseinjektiolukitusta käytettiin epälineaarisessa tilassa suurtehoisten kammioiden luomiseksi ja pumpun lähteen koherenssin puhdistamiseksi. samaan aikaan.

Injektiolukittuminen on taajuusvaikutus, joka voi ilmetä, kun oskillaattoria häiritsee toinen, lähellä olevalla taajuudella toimiva oskillaattori. Kun taajuudet ovat riittävän lähellä toisiaan ja kytkentä on voimakas, toinen oskillaattori voi tallentaa ensimmäisen, jolloin sillä on olennaisesti sama taajuus kuin toisella oskillaattorilla.

Tätä tekniikkaa käytetään ensisijaisesti jatkuvatoimisiin (CW) yksitaajuisiin laserlähteisiin, kun tarvitaan suurta tehoa, yhdistämällä erittäin matalan intensiteetin kohina ja vaihekohina.

Se perustuu piifotoniikkaan muotoillakseen ja puhdistaakseen laserin lähtö, mikä tuottaa vakaamman ja puhtaamman säteen, jota kutsutaan korkea koherenssi. Kun valo on puhdistettu, sirun epälineaariset optiset ominaisuudet ottavat vallan ja jakavat yhden voimakkaan säteen kymmeniin väreihin, jotka ovat tasaisesti erillään, joka on taajuuskamman keskeinen ominaisuus.

Tuloksena oleva kompakti ja tehokas valonlähde yhdistää teollisuuslaserin raa'an tehon edistyneen viestinnän ja tunnistuksen vaatimaan vakauteen ja tarkkuuteen.

Alhaisen koherenssin lähde integroitiin suurella lähtöteholla ja piinitridirengasresonaattoreilla. Resonaattorit on suunniteltu normaalilla ryhmänopeushajonnalla, mikä tarkoittaa, että nopeus pienenee optisen taajuuden kasvaessa. Tämä tapahtuu, kun pidemmät valon aallonpituudet kulkevat väliaineessa nopeammin kuin lyhyemmät aallonpituudet, mikä aiheuttaa optisten pulssien leviämisen ajan myötä.

Tiimin luomat mikrokammat saavuttivat jopa 158 mW:n kokonaistehon sirulla. Kampaviivojen luontainen viivanleveys oli puolestaan ​​200 kHz. Myös tutkijat osoittivat yli kaksinkertainen kampaviivojen määrä verraton 100 μW ja suuruusluokkaa korkeampi sirun tehotasot kuin mikään aiemmin raportoitu tulos.

Tutkijat sanoivat:

"Uusi sähköisesti pumpattava mikrokampilähteemme on kooltaan, teholtaan ja linjaleveydeltään riittävä tiedonsiirtoon, ja sillä voisi olla suuri vaikutus muihin alueisiin, kuten suurteholaskentaan ja kaikkialla läsnä oleviin laitteisiin spektrimittaus- ja ajanotto-sovelluksissa." 

Läpimurto tapahtuu aikana, jolloin tekoälybuumi aiheuttaa räjähdysmäisen kasvun datakeskusten kapasiteetin kysynnässä. Tämä rasittaa heidän infrastruktuuriaan ja kamppailee tiedon siirtämisen kanssa nopeasti. Tämän seurauksena yritykset rakentavat tekoälyyn erikoistunutta infrastruktuuria käsitelläkseen massiivisia laskentavaatimuksia suurten tekoälymallien kouluttamiseen ja suorittamiseen. 

Kuitu on jo käytössä optiset linkit ovat käytössä edistyneet datakeskukset käyttävät datan siirtämiseen, mutta jopa ne ovat riippuvaisia ​​yksiaallonpituisista lasereista.

Koska sillä on kymmeniä palkkeja juoksu rinnakkain läpi Sama Yhden kuidun sijaan, jossa yksi säde kuljettaa vain yhtä datavirtaa, taajuuskammat voivat parantaa merkittävästi datakeskusten ominaisuuksia.

Sama periaate oli WDM:n eli aallonpituusjakoisen multipleksoinnin taustalla. kuituoptinen tekniikka joka lähettää useita datavirtoja samanaikaisesti yhden optisen kuidun kautta määrittämällä jokaiselle virralle yksilöllisen valon aallonpituuden, mikä lisää merkittävästi datakapasiteettia ja mahdollistaa suuremman kaistanleveyden. WDM auttoi internetistä tulemaan maailmanlaajuisen nopean verkon 1990-luvun lopulla.

Lipsonin tiimi valmistaa nyt tehokkaita, useita aallonpituuksia hyödyntäviä kampoja, jotka ovat niin pieniä, että ne mahtuvat suoraan sirulle. Tämä saavutus tulee mahdollista esitellä tätä kykyä ne nykyaikaisten tietokonejärjestelmien osia jotka ovat kompakteja ja kalliita.

Tällä tavoin sirut voivat muuttaa datakeskusten toimintaa virtaviivaistamalla tiedonsiirtoa ja -käsittelyä., vaikuttaa seuraavan sukupolven datakeskusten ja monien muiden tehokkaasta optisesta tiedonsiirrosta riippuvaisten laitteiden suunnittelu. Nämä samat sirut voisivat myös mahdollistaa edistyneet LiDAR-järjestelmät, kompaktit kvanttilaitteet, erittäin tarkat optiset kellot ja kannettavat spektrometrit.

”Tässä on kyse laboratoriolaatuisten valonlähteiden tuomisesta todellisiin laitteisiin. Jos niistä saa tehtyä tehokkaita, taloudellisia ja riittävän pieniä, ne voi sijoittaa lähes minne tahansa.”

- Gil-Molina

Pyyhkäise vierittääksesi →

Lasertekniikkaan investoiminen

Maailmanlaajuinen johtaja fotoniikan ja laserteknologioiden alalla, Coherent Corp. (COHR ) valmistaa puolijohdelaserdiodeja ja tehokkaita optisia komponentteja.

Coherent on vakiinnuttanut asemansa optisen tietoliikenteen alan johtavana toimijana ja sillä on vahva markkinaosuus. Sen ydinliiketoiminta keskittyy fotoniikkaan perustuvien ratkaisujen kehittämiseen ja valmistukseen, jotka ovat kriittisiä nykyajan kehittyneen laskennan ja tiedonsiirron aikakaudella. 

Sen segmentteihin kuuluvat verkostoituminen, joka hyödyntää yhdistettyä puolijohdeteknologiaansa komponenttien ja alijärjestelmien toimittamiseen, materiaalit, kuten piikarbidiin (SiC), galliumantimonidiin (GaSb), galliumarsenidiin (GaAs), indiumfosfidiin (InP), sinkkiselenidiin (ZnSe) ja sinkkisulfidiin (ZnS) perustuvat optoelektroniset laitteet, ja laserit-segmentti palvelee teollisuusasiakkaita puolijohde-, tarkkuusvalmistus-, ilmailu- ja puolustusteollisuudessa sekä muissa sovelluksissa laser- ja optiikkatuotteidensa kautta.

Coherent Corp. (COHR )

Laajan innovatiivisten fotoniikkaan perustuvien tuotteidensa valikoiman ansiosta Coherent pystyy tarjoamaan räätälöityjä ja kokonaisvaltaisia ​​ratkaisuja asiakkailleen sekä palvelemaan tekoälyinfrastruktuurin skaalautuvuustarpeita.

Sen strateginen keskittyminen tekoälymarkkinoihin asettaa Coherentin potentiaalisesti merkittäväksi hyötyjäksi jatkuvasta tekoälyn kasvusta. Tämä on lisäys korkean suorituskyvyn optisten komponenttien kasvavaan kysyntään. Mutta samaan aikaan yritys kohtaa haasteita lisääntyvän kilpailun vuoksi sekä tekoälyn että optisen viestinnän aloilla.

Kun se tulee Coherentin markkinasuorituksen ansiosta se nauttii noususuhdanteesta, paljon kuten laaja osakemarkkina. COHR:n osakkeet ovat nousseet tänä vuonna tähän mennessä 29.16 %, ja kirjoitushetkellä niiden hinta on 123.70 dollaria – uusi kaikkien aikojen ennätys, joka nostaa yhtiön markkina-arvon 19.20 miljardiin dollariin.

Huhtikuussa COHR:n osakkeet olivat laskeneet 50 dollariin osakemarkkinoiden koettua korjausliikkeen., ja siitä lähtien Sitten Coherentin osakkeet ovat nousseet noin 146 %. Ja vain kaksi vuotta sitten COHR:n osakkeen hinta oli alle 30 dollaria, mikä osoittaa vahvaa elpymistä.

Näin ollen yhtiö raportoi osakekohtaiseksi tulokseksi (TTM) -0.62 ja P/E-luvuksi (TTM) -198.72.

Coherentin taloudellisen aseman osalta se raportoi ennätyksellisen 1.53 miljardin dollarin liikevaihdon 30. kesäkuuta 2025 päättyneellä neljänneksellä. GAAP-bruttokatemarginaali kaudella oli 35.7 % ja GAAP-nettotappio 0.83 dollaria laimennettua osaketta kohden, kun taas ei-GAAP-periaatteiden mukaisesti sen bruttokatemarginaali oli 38.1 % ja nettotulos laimennettua osaketta kohden oli 1.00 dollaria.

Koko tilikaudella 2025 sen liikevaihto oli ennätykselliset 5.81 miljardia dollaria. GAAP-bruttokatemarginaali oli 35.2 % ja GAAP-nettotappio 0.52 dollaria laimennettua osaketta kohden, kun taas ei-GAAP-bruttokatemarginaali oli 37.9 % ja nettotulos laimennettua osaketta kohden 3.53 dollaria.

Toimitusjohtaja Jim Andersonin mukaan:

”Tilannevuosi 2025 oli vahva, liikevaihtomme kasvoi 23 % ja osakekohtainen tulos ilman GAAP-periaatteita kasvoi 191 %. Uskomme, että olemme hyvässä asemassa jatkamaan vahvaa liikevaihdon ja tuloksen kasvua pitkällä aikavälillä, kun otetaan huomioon altistumisemme keskeisille kasvun ajureille, kuten tekoälytietokeskuksille.”

Tämän vuosineljänneksen aikana yhtiö aloitti 1.6T-lähetin-vastaanotintuotteidensa toimitukset, jotka mahdollistavat tehokkaat tekoälyyn perustuvat datakeskussovellukset. Esiteltiin myös uusi timanttimainen piikarbidikomposiittimateriaali näiden datakeskusten edistyneeseen jäähdytykseen.

Lisäksi Coherent sai ensimmäiset tulonsa optisesta piirikytkimestä (OCS) ja esitteli eksimeerilaseralustan. se on ollut päivitetty suprajohtavan nauhan korkean lämpötilan tuotantoon nousevaa energiaa varten teknologia, kuten fuusio. 

Coherent on julkaissut viime parin viikon aikana useita uusia tuotteita, mukaan lukien kokonaisen sarjan nelikanavaisia ​​integroituja piirejä, jotka mahdollistavat tehokkaammat ja nopeammat optiset lähetin-vastaanottimet tekoälylle ja pilvipalveluille, alan ensimmäisen QSFP28 Dual Laser 100G ZR -ratkaisun olemassa olevan kuituinfrastruktuurin kapasiteetin maksimoimiseksi, sekä suuritehoisia 400 mW:n jatkuvan aallon lasereita, jotka täyttävät pakatun optiikan ja piifotoniikan sovellusten vaativat vaatimukset.

Äskettäin Coherent esitteli seuraavan sukupolven 2D VCSEL- ja fotodiodimatriisejaan (PD) vastatakseen nykyaikaisten datakeskusten kasvaviin tietoliikennevaatimuksiin.

Pari viikkoa sitten Coherent teki muutoksia sopimuksiin, joihin kuuluu olemassa olevien kiertoluottovelvoitteiden uudelleenrahoitus ja kokonaislainan korottaminen 700 miljoonaan dollariin., luottosopimukseen, jonka JPMorgan Chase Bank (JPM ) ja muut lainanantajat parantavat yhtiön maksuvalmius ja taloudellinen joustavuus toiminnan ja kasvun tukemiseksi.

Yhteenveto

Columbian yliopistolla on tehty insinööri saavutus, näyttää miten odottamattomat hetket tieteessä voivat johtaa vielä suurempi ja parempi löytöjä valmiudet kokonaisten kenttien uudelleenmäärittelyä. Muuntamalla yhden sotkuisen säteen kymmeniksi tehokkaiksi ja vakaiksi valokanaviksi,Tiimi on luonut pohjan seuraavan sukupolven optisille järjestelmille.

alkaen mullistaa LiDARin ja kutistaa kvanttilaitteita tekoälypohjaisten datakeskusten kapasiteetin lisäämiseksi tämä teknologia edustaa merkittävää harppausta fotoniikan integroinnissa. Ja kun maailma siirtyy kohti nopeampia ja energiatehokkaampia viestintäjärjestelmiä, kompakteja fTaajuuskampasirut voisivat muodostaa tulevaisuuden laskentainfrastruktuurin perustan.

Napsauta tätä saadaksesi lisätietoja tekoälyyn sijoittamisesta.

Viitteet

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

Columbia Engineeringin tutkijat ovat luoneet uuden sirun, joka voi muuttaa laserin "taajuuskammaksi" ja tuottaa useita tehokkaita valokanavia samanaikaisesti.

Käyttämällä erityistä lukitusmekanismia tutkijat puhdistivat sotkuisen laservalon ja saavuttivat laboratoriotason tarkkuuden pienellä piilaitteella.Tämä saavutus voi parantaa merkittävästi datakeskusten tehokkuutta ja edistää innovaatioita LiDARissa, sensoritekniikassa ja kvanttiteknologiassa.

Mikrokennot kutistuvat laboratoriotason tarkkuutta sirulle 

Tutkijat loivat suuritehoisen mikrokampilaitteen parantaakseen LiDAR-teknologiaa (Light Detection and Ranging).

LiDAR on kaukokartoitustekniikka, joka käyttää pulssitettua laservaloa etäisyyksien laskemiseen ja ympäristön korkearesoluutioisten 3D-mallien luomiseen. Se toimii kuten tutka, mutta käyttää valoa äänen sijaan.

Järjestelmä lähettää laserpulsseja ja ajoittaa niiden paluumatkan mitatakseen tarkat etäisyydet kohteisiin ja seuratakseen liikettä reaaliajassa.

Koostuu laserista, skannerista ja erikoistuneesta GPS-vastaanottimesta, LiDAR laite tuottaa yksityiskohtaisen "pistepilven" datasta, jota sitten käytetään 3D-karttojen luomiseen sovelluksiin, kuten autonomiseen ajamiseen, ympäristön seurantaan, maanmittaukseen ja arkeologiaan.

Teknologia keksittiin jo 1960-luvulla, ja sitä sovellettiin alun perin meteorologiaan, valtamerten havainnointiin ja topografiseen kartoitukseen, ennen kuin NASA laajensi sen käyttöä avaruuteen. 2010-luvulla kaupalliset autot alkoivat käyttää LiDARia, ja siitä lähtien autojen LiDARista on tullut erittäin suosittua huippuluokan sähköautoissa.

LiDARin kasvavan käytön vuoksi tutkijat ovat jatkuvasti työskennelleet teknologian parantamiseksi. Monet jännittävät laserteknologioiden innovaatiot on integroitu edistyneeseen optiikkaan, mikä mahdollistaa edelleen pienentämisen ja lupaa LiDAR-järjestelmien pitkän aikavälin tulevaisuutta.

Columbian yliopiston teknillisen tiedekunnan tutkijoiden tavoitteena oli löytää tapa vapauttaa suurempi teho ja spektraalinen puhtaus kompakteista laserjärjestelmistä, jotta sirumittakaavan taajuuskampageneraattori olisi mahdollinen. parantaa tietoliikenne, sensoritekniikka, spektroskopia, LiDAR ja muut integroidut fotoniikan sovellukset.

Niinpä he ovat luoneet mikrokombin, pienoiskoossa olevan fotonisen laitteen, joka tuottaa sarjan tasaisesti toisistaan ​​etäisyydellä olevia optisia taajuuksia, kuin kamman piikit sirulla.

Näillä integroiduilla miniatyyritaajuuskammoilla on potentiaalia pienentää tällaisissa sovelluksissa perinteisesti tarvittavien monimutkaisten järjestelmien kokoa. Näin ollen integroidut mikrokammat ovat lupaavia lukuisissa sovelluksissa, jotka vaativat suuri lähtöteho, pieni jalanjälki ja korkea hyötysuhde, kuten spektroskopia, sensorit ja tietoliikenne.

Tutkijat ovat viime aikoina esitelleet sähköisesti pumpattuja mikrokombeja integroimalla vahvistussiruja (puolijohdeoptisia elementtejä) huippuluokan resonaattoreihin. Niiden kokonaisoptinen teho on kuitenkin edelleen paljon pienempi kuin mitä käytännön ratkaisut tarvitsevat.

Tällä rajoituksella on käsitelty Columbian tutkijat, jotka esittelivät suuritehoisia sähköisesti pumpattuja Kerr-taajuusmikrokombeja. 

"Sotkuisista" diodeista puhtaisiin mikrokomboihin

Mielenkiintoista kyllä, tämä oli sattumanvarainen löytö. Muutama vuosi sitten tutkijat yhdessä kirjoittajan Michal Lipsonin laboratoriossa Eugene Higgins, sähkötekniikan professori ja sovelletun fysiikan professori, työskentelivät LiDAR-ominaisuuksien parantamiseen tähtäävän projektin parissa kun he huomasi jotain uskomatonta.

He suunnittelivat tehokkaita siruja, jotka voisivat tuottaa kirkkaampia valonsäteitä, ja ”kun lähetimme yhä enemmän tehoa sirun läpi, huomasimme, että se loi niin sanotun taajuuskamman”, sanoi Andres Gil-Molina, entinen postdoc-tutkija Lipsonin laboratoriossa ja tällä hetkellä Xscape Photonicsin pääinsinööri.

Taajuuskampa on spektri, joka koostuu erillisistä ja säännöllisesti toisistaan ​​etäisyydellä olevista spektriviivoista. Tämä tarkoittaa, että tämä erityinen valon tyyppi sisältää eri värejä vierekkäin järjestetyssä järjestyksessä, kuten sateenkaaressa näkyy.

Tässä loistaa kymmeniä valon taajuuksia. Mutta näiden eri värien tai taajuuksien väliset aukot pysyvät tummina. Joten kun tarkastellaan näitä eri kirkkaita taajuuksia spektrogrammissa, ne näyttävät piikkeiltä tai kampan hampaat, tästä nimi.

Koska eri valon värit eivät häiritse toisiaan, jokainen hammas toimii omana kanavanaan, mikä tarjoaa uskomattoman mahdollisuuden lähettää useita tietovirtoja samanaikaisesti.

Vaikka tehokkaan taajuuskamman luominen on erittäin hyödyllistä, se vaatii suuria ja kalliita lasereita ja vahvistimia. 

Julkaistu Luonto Fotoniikka¹, lehdessä kerrotaan yksityiskohtaisesti, miten sama asia voidaan tehdä yhdellä sirulla. 

”Kehittämämme teknologia muuntaa erittäin tehokkaan laserin kymmeniksi puhtaiksi, tehokkaiksi kanaviksi sirulla. Tämä tarkoittaa, että yksittäisten lasereiden telineet voidaan korvata yhdellä kompaktilla laitteella, mikä leikkaa kustannuksia, säästää tilaa ja avaa oven paljon nopeampiin ja energiatehokkaampiin järjestelmiin.”

– Gil-Molina

Tämä tutkimus ei ainoastaan ​​voi täyttää datakeskusten valtavaa kysyntää tehokkaille ja tehokkaille valonlähteille, jotka sisältävät useita aallonpituuksia, vaan se on myös virstanpylväs tiimin tehtävässä edistää piifotoniikan kehitystä.

Tunnettu huomattavasti nopeamman tiedonsiirron mahdollistamisesta samalla kun se kuluttaa vähemmän virtaa ja tuottaa vähemmän lämpöä kuin perinteinen Elektronisten piirien ohella piifotoniikkaa on käytetty laajalti nopeissa datakeskuksissa, tekoälyssä, LiDARissa, kvanttiteknologioissa, esineiden internetissä ja 5G:ssä.

Piifotoniikka integroi valoon perustuvia komponentteja piisirulle käyttäen CMOS-standardin mukaisia ​​valmistusprosesseja fotonisten integroitujen piirien (PIC) luomiseksi. Se käyttää piieristeellä (SOI) varustettuja kiekkoja puolijohdealustana aaltojohteiden ja muiden valoa ohjaavien komponenttien muodostamiseksi nopeampaa, energiatehokkaampaa tiedonsiirtoa ja pienempiä, kustannustehokkaampia laitteita varten.

”Koska tästä teknologiasta on tulossa yhä keskeisempi osa kriittistä infrastruktuuria ja jokapäiväistä elämäämme, tämäntyyppinen edistys on välttämätöntä sen varmistamiseksi, että datakeskukset ovat mahdollisimman tehokkaita.”

– Lipson

Kuinka itseinjektoiva lukitus puhdistaa ja moninkertaistaa valon

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

Columbian tiimi valitsi monimuotolaserdiodin. Laserdiodi (LD) on puolijohdelaite, joka tuottaa yksiväristä valoa tietyllä aallonpituudella. Monimuotolaserdiodit eli laaja-alaiset laserit (BAL) tarjoavat suuremman tehon ja sopivat erinomaisesti tilanteisiin, joissa tarvitaan suurta optista tehoa ja säteen laatu ei ole niin kriittinen.

Nämä laitteet tuottavat leveämmän säteen, mikä heikentää säteen laatua. mutta lisää tehotiheyttä. Monimuotolaserdiodeja käytetään laajalti sovelluksissa, kuten lääketieteelliset laitteet, tulostus- ja kuvantamislaitteet sekä laserleikkaustyökalut. 

Vaikka nämä laserit tuottavat valtavia määriä valoa, niiden säde on "sotkuinen", mikä vaikeuttaa niiden käyttöä tarkkoihin sovelluksiin. 

Monimuotolaserdiodin integrointi piifotoniikkasiruun, jossa valon reitit ovat vain yhtä leveä kuin juuri ja juuri muutamia mikrometrejä (μm) tai jopa satoja nanometrejä (nm), kuitenkin, vaatii huolellista suunnittelua.

Tämän voimakkaan mutta erittäin meluisan valonlähteen puhdistamiseksi tiimi käytti lukitusmekanismia.

Itseinjektiolukitusta käytettiin epälineaarisessa tilassa suurtehoisten kammioiden luomiseksi ja pumpun lähteen koherenssin puhdistamiseksi. samaan aikaan.

Injektiolukittuminen on taajuusvaikutus, joka voi ilmetä, kun oskillaattoria häiritsee toinen, lähellä olevalla taajuudella toimiva oskillaattori. Kun taajuudet ovat riittävän lähellä toisiaan ja kytkentä on voimakas, toinen oskillaattori voi tallentaa ensimmäisen, jolloin sillä on olennaisesti sama taajuus kuin toisella oskillaattorilla.

Tätä tekniikkaa käytetään ensisijaisesti jatkuvatoimisiin (CW) yksitaajuisiin laserlähteisiin, kun tarvitaan suurta tehoa, yhdistämällä erittäin matalan intensiteetin kohina ja vaihekohina.

Se perustuu piifotoniikkaan muotoillakseen ja puhdistaakseen laserin lähtö, mikä tuottaa vakaamman ja puhtaamman säteen, jota kutsutaan korkea koherenssi. Kun valo on puhdistettu, sirun epälineaariset optiset ominaisuudet ottavat vallan ja jakavat yhden voimakkaan säteen kymmeniin väreihin, jotka ovat tasaisesti erillään, joka on taajuuskamman keskeinen ominaisuus.

Tuloksena oleva kompakti ja tehokas valonlähde yhdistää teollisuuslaserin raa'an tehon edistyneen viestinnän ja tunnistuksen vaatimaan vakauteen ja tarkkuuteen.

Alhaisen koherenssin lähde integroitiin suurella lähtöteholla ja piinitridirengasresonaattoreilla. Resonaattorit on suunniteltu normaalilla ryhmänopeushajonnalla, mikä tarkoittaa, että nopeus pienenee optisen taajuuden kasvaessa. Tämä tapahtuu, kun pidemmät valon aallonpituudet kulkevat väliaineessa nopeammin kuin lyhyemmät aallonpituudet, mikä aiheuttaa optisten pulssien leviämisen ajan myötä.

Tiimin luomat mikrokammat saavuttivat jopa 158 mW:n kokonaistehon sirulla. Kampaviivojen luontainen viivanleveys oli puolestaan ​​200 kHz. Myös tutkijat osoittivat yli kaksinkertainen kampaviivojen määrä verraton 100 μW ja suuruusluokkaa korkeampi sirun tehotasot kuin mikään aiemmin raportoitu tulos.

Tutkijat sanoivat:

"Uusi sähköisesti pumpattava mikrokampilähteemme on kooltaan, teholtaan ja linjaleveydeltään riittävä tiedonsiirtoon, ja sillä voisi olla suuri vaikutus muihin alueisiin, kuten suurteholaskentaan ja kaikkialla läsnä oleviin laitteisiin spektrimittaus- ja ajanotto-sovelluksissa." 

Läpimurto tapahtuu aikana, jolloin tekoälybuumi aiheuttaa räjähdysmäisen kasvun datakeskusten kapasiteetin kysynnässä. Tämä rasittaa heidän infrastruktuuriaan ja kamppailee tiedon siirtämisen kanssa nopeasti. Tämän seurauksena yritykset rakentavat tekoälyyn erikoistunutta infrastruktuuria käsitelläkseen massiivisia laskentavaatimuksia suurten tekoälymallien kouluttamiseen ja suorittamiseen. 

Kuitu on jo käytössä optiset linkit ovat käytössä edistyneet datakeskukset käyttävät datan siirtämiseen, mutta jopa ne ovat riippuvaisia ​​yksiaallonpituisista lasereista.

Koska sillä on kymmeniä palkkeja juoksu rinnakkain läpi Sama Yhden kuidun sijaan, jossa yksi säde kuljettaa vain yhtä datavirtaa, taajuuskammat voivat parantaa merkittävästi datakeskusten ominaisuuksia.

Sama periaate oli WDM:n eli aallonpituusjakoisen multipleksoinnin taustalla. kuituoptinen tekniikka joka lähettää useita datavirtoja samanaikaisesti yhden optisen kuidun kautta määrittämällä jokaiselle virralle yksilöllisen valon aallonpituuden, mikä lisää merkittävästi datakapasiteettia ja mahdollistaa suuremman kaistanleveyden. WDM auttoi internetistä tulemaan maailmanlaajuisen nopean verkon 1990-luvun lopulla.

Lipsonin tiimi valmistaa nyt tehokkaita, useita aallonpituuksia hyödyntäviä kampoja, jotka ovat niin pieniä, että ne mahtuvat suoraan sirulle. Tämä saavutus tulee mahdollista esitellä tätä kykyä ne nykyaikaisten tietokonejärjestelmien osia jotka ovat kompakteja ja kalliita.

Tällä tavoin sirut voivat muuttaa datakeskusten toimintaa virtaviivaistamalla tiedonsiirtoa ja -käsittelyä., vaikuttaa seuraavan sukupolven datakeskusten ja monien muiden tehokkaasta optisesta tiedonsiirrosta riippuvaisten laitteiden suunnittelu. Nämä samat sirut voisivat myös mahdollistaa edistyneet LiDAR-järjestelmät, kompaktit kvanttilaitteet, erittäin tarkat optiset kellot ja kannettavat spektrometrit.

”Tässä on kyse laboratoriolaatuisten valonlähteiden tuomisesta todellisiin laitteisiin. Jos niistä saa tehtyä tehokkaita, taloudellisia ja riittävän pieniä, ne voi sijoittaa lähes minne tahansa.”

- Gil-Molina

Pyyhkäise vierittääksesi →

Lasertekniikkaan investoiminen

Maailmanlaajuinen johtaja fotoniikan ja laserteknologioiden alalla, Coherent Corp. (COHR ) valmistaa puolijohdelaserdiodeja ja tehokkaita optisia komponentteja.

Coherent on vakiinnuttanut asemansa optisen tietoliikenteen alan johtavana toimijana ja sillä on vahva markkinaosuus. Sen ydinliiketoiminta keskittyy fotoniikkaan perustuvien ratkaisujen kehittämiseen ja valmistukseen, jotka ovat kriittisiä nykyajan kehittyneen laskennan ja tiedonsiirron aikakaudella. 

Sen segmentteihin kuuluvat verkostoituminen, joka hyödyntää yhdistettyä puolijohdeteknologiaansa komponenttien ja alijärjestelmien toimittamiseen, materiaalit, kuten piikarbidiin (SiC), galliumantimonidiin (GaSb), galliumarsenidiin (GaAs), indiumfosfidiin (InP), sinkkiselenidiin (ZnSe) ja sinkkisulfidiin (ZnS) perustuvat optoelektroniset laitteet, ja laserit-segmentti palvelee teollisuusasiakkaita puolijohde-, tarkkuusvalmistus-, ilmailu- ja puolustusteollisuudessa sekä muissa sovelluksissa laser- ja optiikkatuotteidensa kautta.

Coherent Corp. (COHR )

Laajan innovatiivisten fotoniikkaan perustuvien tuotteidensa valikoiman ansiosta Coherent pystyy tarjoamaan räätälöityjä ja kokonaisvaltaisia ​​ratkaisuja asiakkailleen sekä palvelemaan tekoälyinfrastruktuurin skaalautuvuustarpeita.

Sen strateginen keskittyminen tekoälymarkkinoihin asettaa Coherentin potentiaalisesti merkittäväksi hyötyjäksi jatkuvasta tekoälyn kasvusta. Tämä on lisäys korkean suorituskyvyn optisten komponenttien kasvavaan kysyntään. Mutta samaan aikaan yritys kohtaa haasteita lisääntyvän kilpailun vuoksi sekä tekoälyn että optisen viestinnän aloilla.

Kun se tulee Coherentin markkinasuorituksen ansiosta se nauttii noususuhdanteesta, paljon kuten laaja osakemarkkina. COHR:n osakkeet ovat nousseet tänä vuonna tähän mennessä 29.16 %, ja kirjoitushetkellä niiden hinta on 123.70 dollaria – uusi kaikkien aikojen ennätys, joka nostaa yhtiön markkina-arvon 19.20 miljardiin dollariin.

Huhtikuussa COHR:n osakkeet olivat laskeneet 50 dollariin osakemarkkinoiden koettua korjausliikkeen., ja siitä lähtien Sitten Coherentin osakkeet ovat nousseet noin 146 %. Ja vain kaksi vuotta sitten COHR:n osakkeen hinta oli alle 30 dollaria, mikä osoittaa vahvaa elpymistä.

Näin ollen yhtiö raportoi osakekohtaiseksi tulokseksi (TTM) -0.62 ja P/E-luvuksi (TTM) -198.72.

Coherentin taloudellisen aseman osalta se raportoi ennätyksellisen 1.53 miljardin dollarin liikevaihdon 30. kesäkuuta 2025 päättyneellä neljänneksellä. GAAP-bruttokatemarginaali kaudella oli 35.7 % ja GAAP-nettotappio 0.83 dollaria laimennettua osaketta kohden, kun taas ei-GAAP-periaatteiden mukaisesti sen bruttokatemarginaali oli 38.1 % ja nettotulos laimennettua osaketta kohden oli 1.00 dollaria.

Koko tilikaudella 2025 sen liikevaihto oli ennätykselliset 5.81 miljardia dollaria. GAAP-bruttokatemarginaali oli 35.2 % ja GAAP-nettotappio 0.52 dollaria laimennettua osaketta kohden, kun taas ei-GAAP-bruttokatemarginaali oli 37.9 % ja nettotulos laimennettua osaketta kohden 3.53 dollaria.

Toimitusjohtaja Jim Andersonin mukaan:

”Tilannevuosi 2025 oli vahva, liikevaihtomme kasvoi 23 % ja osakekohtainen tulos ilman GAAP-periaatteita kasvoi 191 %. Uskomme, että olemme hyvässä asemassa jatkamaan vahvaa liikevaihdon ja tuloksen kasvua pitkällä aikavälillä, kun otetaan huomioon altistumisemme keskeisille kasvun ajureille, kuten tekoälytietokeskuksille.”

Tämän vuosineljänneksen aikana yhtiö aloitti 1.6T-lähetin-vastaanotintuotteidensa toimitukset, jotka mahdollistavat tehokkaat tekoälyyn perustuvat datakeskussovellukset. Esiteltiin myös uusi timanttimainen piikarbidikomposiittimateriaali näiden datakeskusten edistyneeseen jäähdytykseen.

Lisäksi Coherent sai ensimmäiset tulonsa optisesta piirikytkimestä (OCS) ja esitteli eksimeerilaseralustan, jolla on ollut päivitetty suprajohtavan nauhan korkean lämpötilan tuotantoon nousevaa energiaa varten teknologia, kuten fuusio. 

Coherent on julkaissut viime parin viikon aikana useita uusia tuotteita, mukaan lukien kokonaisen sarjan nelikanavaisia ​​integroituja piirejä, jotka mahdollistavat tehokkaammat ja nopeammat optiset lähetin-vastaanottimet tekoälylle ja pilvipalveluille, alan ensimmäisen QSFP28 Dual Laser 100G ZR -ratkaisun olemassa olevan kuituinfrastruktuurin kapasiteetin maksimoimiseksi, sekä suuritehoisia 400 mW:n jatkuvan aallon lasereita, jotka täyttävät pakatun optiikan ja piifotoniikan sovellusten vaativat vaatimukset.

Äskettäin Coherent esitteli seuraavan sukupolven 2D VCSEL- ja fotodiodimatriisejaan (PD) vastatakseen nykyaikaisten datakeskusten kasvaviin tietoliikennevaatimuksiin.

Pari viikkoa sitten Coherent teki muutoksia sopimuksiin, joihin kuuluu olemassa olevien kiertoluottovelvoitteiden uudelleenrahoitus ja kokonaislainan korottaminen 700 miljoonaan dollariin., luottosopimukseen, jonka JPMorgan Chase Bank (JPM ) ja muut lainanantajat parantavat yhtiön maksuvalmius ja taloudellinen joustavuus toiminnan ja kasvun tukemiseksi.

Yhteenveto

Columbian yliopistolla on tehty insinööri saavutus, näyttää miten odottamattomat hetket tieteessä voivat johtaa vielä suurempi ja parempi löytöjä valmiudet kokonaisten kenttien uudelleenmäärittelyä. Muuntamalla yhden sotkuisen säteen kymmeniksi tehokkaiksi ja vakaiksi valokanaviksi,Tiimi on luonut pohjan seuraavan sukupolven optisille järjestelmille.

alkaen mullistaa LiDARin ja kutistaa kvanttilaitteita tekoälypohjaisten datakeskusten kapasiteetin lisäämiseksi tämä teknologia edustaa merkittävää harppausta fotoniikan integroinnissa. Ja kun maailma siirtyy kohti nopeampia ja energiatehokkaampia viestintäjärjestelmiä, kompakteja fTaajuuskampasirut voisivat muodostaa tulevaisuuden laskentainfrastruktuurin perustan.

Napsauta tätä saadaksesi lisätietoja tekoälyyn sijoittamisesta.

Viitteet

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