Шведські вчені створили чіп для передачі даних у 10 разів швидше

У лабораторії Технологічного університету Чалмерса шведські науковці здійснили прорив, який може змінити світові комунікаційні мережі. Вони створили чіп із кремнію нітриду з витравленими мікроскопічними спіралями, який обіцяє передавати дані у десять разів швидше за найкращі сучасні оптичні підсилювачі.

Прорив полягає не в тому, щоб змусити світло рухатися швидше, адже це заборонено законами фізики. Натомість команда розширила спектр світла, який використовується для передачі інформації. Результатом стала нова лазерна система підсилення з найширшою безперервною смугою пропускання, коли-небудь зафіксованою для кремнієвого чіпа.

Петер Андрексон, професор фотоніки в Чалмерсі та старший автор дослідження, пояснив, що їхній підсилювач має смугу пропускання триста нанометрів, що дозволяє передавати у десять разів більше даних за секунду порівняно з існуючими системами.

Сучасні оптичні підсилювачі мають типову смугу пропускання близько тридцяти нанометрів. Це означає, що вони можуть обробляти лише вузький діапазон світлового спектра одночасно. За прогнозами Nokia Bell Labs, обсяг даних подвоїться до 2030 року, тому ці обмеження стають все більш відчутними.

Вся інтернет-інформація передається імпульсами лазерного світла через скляні волокна. Ці імпульси посилюються оптичними підсилювачами, які зміцнюють слабкі світлові сигнали під час їх подорожі через океани та континенти.

Для вирішення цієї проблеми команда з Чалмерса звернулася до чотирихвильового змішування, нелінійного оптичного явища, яке може комбінувати та перерозподіляти світлові частоти. Однак забезпечення надійної роботи цього процесу в широкій смузі частот роками ставило дослідників у глухий кут.

У своїй статті, опублікованій у Nature в квітні 2025 року, команда написала, що звичайні конструкції для широкосмугового підсилення часто призводять до багатомодової роботи. Кілька мод означають кілька способів руху світла через хвилевід, що створює інтерференцію та погіршує сигнал. Вони представили методологію виготовлення нелінійних хвилеводів з одночасною одномодовою роботою та аномальною дисперсією.

Простіше кажучи, вони створили однополосну магістраль для світла, яка простягається далеко через спектр, зменшуючи затори.

В основі прориву лежить чіп із кремнію нітриду з витравленими щільно згорнутими хвилеводами. Ці спіральні шляхи дозволяють чіпу підтримувати одну моду світла, одночасно досягаючи того, що фізики називають аномальною дисперсією, умови, необхідної для ефективного чотирихвильового змішування.

Інженери відрегулювали форму та вигини крихітних спіральних шляхів на чіпі, щоб контролювати рух світла через них. Вони також внесли точні корективи в те, як чіп обробляє різні кольори світла. Ці зміни допомогли чіпу передавати набагато ширший діапазон світлових сигналів, дозволяючи йому переносити більше даних одночасно.

Андрексон зазначив, що ця здатність дозволяє підсилювати дуже слабкі сигнали, такі як ті, що використовуються в космічному зв'язку.

Чіп не лише швидкий, але й малий та чутливий. Завдовжки менше кількох сантиметрів, він може інтегруватися в компактні пристрої. Це відкриває двері для широкого спектра застосувань від медичної візуалізації в реальному часі до надефективних лазерів для промислової інспекції. Завдяки великій смузі пропускання підсилювач також може забезпечити більш точну візуалізацію тканин та органів, допомагаючи лікарям раніше виявляти захворювання.

Андрексон додав, що незначні корективи в конструкції дозволили б підсилювати видиме та інфрачервоне світло. Це означає, що підсилювач можна використовувати в лазерних системах для медичної діагностики, аналізу та лікування.

Під час тестування підсилювач без проблем обробляв потоки даних зі швидкістю сто гігабіт за секунду. Дослідники успішно використовували його для перетворення лазерних сигналів у діапазоні понад двісті нанометрів довжини хвилі, що значно перевищує діапазони C та L, які домінують у сучасних волоконно-оптичних системах.

Їхній чіп керував усім цим оптично, без перетворення світла на електрику та назад. Це критично важливо для зменшення затримки та споживання енергії в центрах обробки даних наступного покоління та системах штучного інтелекту.

Підсилювач Чалмерса тепер тримає рекорд смуги пропускання серед оптичних підсилювачів безперервної хвилі. Але команда вважає, що може просунутися ще далі.

Вони вже тестують довші версії хвилеводів, а майбутні конструкції можуть складати кілька спіральних шарів на одній пластині. Це дозволило б ще більше контролювати дисперсію, вищий коефіцієнт підсилення та ширшу сумісність у світловому спектрі.

Це більше, ніж просто технологічне оновлення, це переосмислення можливостей світла. Витягуючи більше даних з кожного фотона, команда Чалмерса створила чіп, який може допомогти нашому гіперпов'язаному світу не зруйнуватися під вагою власної інформації.

І все це поміщається в щось менше за ніготь.