Скорость света больше не предел: новый чип расширил полосу интернета в 10 раз
Оптические сети сегодня упираются не столько в скорость света, сколько в ширину "полосы" устройств, которые усиливают лазерные сигналы. Команда из Технологического университета Чалмерса представила усилитель на нитриде кремния, который расширяет эту полосу в десять раз и тем самым кратно увеличивает объём передаваемых данных — без замены оптоволокна и кардинальной перестройки инфраструктуры.
Почему пропускная способность — узкое место
По мере роста стриминга, IoT и генеративного ИИ сетевой трафик удваивается, а значит, резко возрастает нагрузка на оптические усилители. Именно их полоса пропускания — диапазон длин волн, которые устройство способно усиливать с низким шумом, — задаёт потолок пропускной способности магистралей. В большинстве действующих систем она около 30 нм, и это ограничение чувствуется всё сильнее.
"Усилители, используемые в настоящее время в системах оптической связи, имеют полосу пропускания около 30 нанометров", — заявил профессор фотоники Питер Эндрексон Технологического университета Чалмерса.
Что придумали в Чалмерсе
Новый чип—усилитель выполнен на нитриде кремния — термостойком и стабильном фотонном материале, который хорошо совместим с массовыми технологиями производства. Ключевой элемент — спиральные волноводы. Они позволяют "упаковать" длинный оптический путь на крошечной площади кристалла, что усиливает нелинейные эффекты, нужные для сверхширокополосного усиления.
Спиральные волноводы и четырёхволновое смешение
В спиралях реализуется четырёхволновое смешение: взаимодействие нескольких оптических частот "распределяет" энергию между каналами, подстраивая и расширяя спектр. Такая схема даёт выигрыш сразу по двум фронтам — по ширине полосы (до ~300 нм) и по шумам, которые критичны для дальних линий связи и когерентных систем.
Десятикратное расширение спектра
Рабочий диапазон прототипа 1400—1700 нм (коротковолновый ИК). Это в десять раз шире привычных 30 нм и означает, что по тому же волокну можно "упаковать" кратно больше независимых каналов. Скорость света не меняется, но число "полок" в спектральном шкафу — да. За счёт компактности на одном чипе размещают несколько усилителей, а единая платформа упрощает питание и управление.
"Незначительные изменения в конструкции позволят усиливать видимый и инфракрасный свет," — сказал Питер Эндрексон.
Зачем это медицине и науке
Широкая полоса и низкие шумы полезны не только магистральным сетям. В голографии, спектроскопии и микроскопии это означает больше частот за один "прогон", тонкую настройку контраста и чувствительность к слабым сигналам. В диагностике — более раннее выявление патологий и стабильная работа компактных приборов в клинике, а не только в лаборатории.
"Это значит, что усилитель можно будет использовать в лазерных системах для медицинской диагностики, анализа и лечения", — отметил Питер Эндрексон.
Что дальше
Авторы уже показали работоспособность в ИК—окне связи; следующий шаг — перенос архитектуры в видимый диапазон (400—700 нм) и дальний ИК (2000—4000 нм). Параллельно предстоит отладить массовое производство: стабилизацию фазовых режимов, тепловой менеджмент, интеграцию с когерентными приёмопередатчиками и совместимость с существующими усилителями. Если все эти "инженерные скрепки" сойдутся, отрасль получит простой рычаг масштабирования пропускной способности — за счёт спектра, а не прокладки новых трасс.
