Созданы микрорезонаторы, позволяющие передавать 40 каналов данных в луче одного лазера

Увеличение объемов данных, которыми оперируют информационные центры, обуславливает то, что для соединений мощных компьютеров и серверных стоек в большинстве случаев используются оптические линии связи, а не кабельные ethernet-соединения, которые уже не в состоянии обеспечить необходимую ширину полосы пропускания. Однако, каждый высокоскоростной коммуникационный оптический канал требует наличия отдельного лазера и отдельной электронной схемы управления. Стараясь «расшить» это узкое место, ученые из различных учреждений постоянно работают над расширением пропускной способности оптических каналов и недавно группе исследователей из университета Пурду (Purdue University) удалось разработать новую технологию, при помощи которой единственный лазер оказывается способным обеспечить работу множества независимых каналов, работающих на различных частотах.

Ключевым компонентом новой технологии является крошечный микрорезонатор. Это петля, полукольцо оптического волновода, шириной 100 микрометров, изготовленное из нитрида кремния. Поскольку толщина этого резонатора крайне мала, то его структуру без проблем можно разместить прямо на поверхности кремниевого чипа. И, этот микрорезонатор способен заменить собой целый стол, уставленный призмами, линзами, резонаторами и прочими традиционными оптическими компонентами, которые все в совокупности представляют собой управляемый особым образом лазер.

В экспериментальной установке лазер связан резонатором и накачивает его непрерывным потоком света одной определенной длины волны. «Несмотря на крошечные размеры, структура резонатора способна заключать в себе достаточно большое количество энергии, концентрация которой приводит к изменению линейности его свойств. Обычно, если мы качаем в резонатор энергию с определенными параметрами и параметры резонатора линейны, то на выходе резонатора мы получаем энергию с такими же параметрами, как и на входе» — объясняют исследователи, — «Но когда взаимодействие резонатора и энергии нелинейны, резонатор начинает производить новые гармоники более высокого порядка».

Интервал между пиками частот микрорезонатора имеет такую же форму частотной гребенки, как и у резонаторов других типов, и эти частоты могут быть подстроены путем изменений резонансной частоты микрорезонатора. А резонансная частота изменяется при помощи электрического нагревателя из золотого провода, проложенного ниже структуры резонатора. Изменение температуры материала влечет за собой изменения некоторых его свойств и, как следствие, резонансной частоты.

Экспериментальная установка, в которой установлен новый микрорезонатор, эффективно работает с дискретными световыми импульсами, с импульсами света, имеющими определенную длительность. Но, в ходе экспериментов ученые отметили присутствие импульсов «темноты», очень коротких промежутков, во время которых резонатор не пропускает и не излучает никакого света. Длительность этих темных импульсов составляет одну или две пикосекунды, что в сто раз быстрей, нежели время переключения выходных ключей современных микроконтроллеров. «Преимущества использования импульсов темноты заключается в том, что мы имеем возможность воспроизводить их неоднократно и с высокой точностью. Это обеспечивает более надежную передачу данных, ведь добиться подобных характеристик с обычными импульсами света невероятно сложно». В экспериментальной установке исследователи продемонстрировали, что обычные яркие импульсы могут быть без труда преобразованы в темные импульсы и наоборот, что облегчает создание интерфейсов между оптической и электронной частями системы.

Помимо обеспечения передачи больших объемов информации в компьютерах и компьютерных сетях, такие микрорезонаторы могут найти применение в различных датчиках и в спектроскопии. Они позволят исследовать химические вещества в различных длинах волн более быстро и более легко, нежели это достигается при использовании лазеров с перестраиваемой длиной волны, которые громоздки, дороги и которым на переключение требуется значительное время.

Следующий шаг, который намерены сделать ученые в ближайшем времени, будет представлять собой попытку интеграции нового микрорезонатора в структуру реального чипа, который будет содержать все необходимые компоненты и представлять собой законченное коммуникационное лазерное устройство.