Laboratuvar kazasıyla gelen müthiş buluş

Mühendisler, tesadüfen geliştirdikleri bir çip sayesinde güçlü bir gökkuşağı lazer demeti oluşturmayı başardı. Bu küçük ama etkili buluş, yapay zekânın ürettiği devasa veri miktarlarını çok daha hızlı ve verimli bir şekilde taşımayı mümkün kılabilir. Yeni fotonik çip, endüstriyel düzeyde bir lazer kaynağını hassas şekilde tasarlanmış bir optik devreyle birleştiriyor. Bu devre, ışığı biçimlendirip sabitleyerek onu eşit aralıklarla ayrılmış çok sayıda renge bölüyor.

Her bir renk bandı, kendine özgü bir optik frekansı temsil ediyor ve bu frekanslar bağımsız veri akışlarını taşıyabiliyor. Bu sayede, mevcut fiber optik ağlara kıyasla veriler çok daha hızlı ve enerji verimli bir şekilde iletilebiliyor. Normalde bu “gökkuşağı etkisi” ya da teknik adıyla frekans tarağı, büyük ve pahalı lazer sistemleriyle elde edilebiliyor. Ancak araştırmacılar, aslında lidar teknolojisini geliştirmeye çalışırken, bu güçlü fotonik sistemi tek bir küçük çipe sığdırmanın yolunu tamamen tesadüfen keşfetti.

Lidar teknolojisi, lazer darbeleriyle mesafeyi ölçüyor ve nesnelerden geri dönen ışığın süresini analiz ediyor. Ekip, daha güçlü ve uzak mesafeleri ölçebilen lazerler üretmeye çalışırken, ışığın kendiliğinden farklı renklere ayrıldığını fark etti.

Frekans tarağı nedir?

Frekans tarağı, optik spektrum boyunca eşit aralıklarla dizilmiş çok sayıda renk (veya frekans) içeren özel bir lazer ışığı türü. Spektrogram üzerinde bu frekanslar, bir tarağın dişlerini andıran sivri uçlar şeklinde görünür. Her “dişin” tepe noktası, bağımsız bilgi taşıyabilen sabit ve kesin tanımlanmış bir dalga boyunu temsil eder. Bu dalga boyları hem frekans hem faz bakımından senkronize olduklarından birbirine karışmazlar. Böylece, tek bir fiber optik hat üzerinden birden fazla veri akışı aynı anda iletilebilir.

Bilim insanları bu etkiyi fark ettikten sonra, onu kontrollü biçimde yeniden üretmenin bir yolunu geliştirdi. Ardından, ışığın mikrometre ölçeğinde dalga kılavuzlarından geçtiği silikon bir çip üzerinde bu sistemi hayata geçirdiler. (Bir mikrometre, bir milimetrenin binde biri, yani bir insan saçının yaklaşık yüzde biri kadar genişlikte.) Araştırma sonuçları 7 Ekim’de Nature Photonics dergisinde yayımlandı. Çalışmanın önemi, özellikle yapay zekâ sistemlerinin veri merkezlerine getirdiği yoğun kaynak talebi göz önüne alındığında daha da artıyor.

Xscape Photonics’in baş mühendisi ve Columbia Engineering eski araştırmacısı olan çalışmanın ortak yazarı Andres Gil-Molina, şunları söylüyor: “Veri merkezleri, çok sayıda dalga boyu içeren güçlü ve verimli ışık kaynaklarına büyük ihtiyaç duyuyor. Geliştirdiğimiz teknoloji, tek bir güçlü lazeri onlarca temiz ve yüksek güçlü kanala dönüştürüyor. Bu da ayrı ayrı lazer sistemlerini tek bir kompakt cihazla değiştirmemizi, maliyetleri düşürmemizi, yerden tasarruf etmemizi ve çok daha hızlı, enerji verimli sistemler kurmamızı sağlıyor.”

Çip üzerinde gökkuşağı

Araştırmacılar, bir frekans tarağını çip üzerinde oluşturabilmek için yüksek güçlü ama kompakt bir lazer kaynağı bulmak zorundaydı. Çözüm, tıbbi cihazlarda ve lazer kesim aletlerinde sıkça kullanılan çok modlu lazer diyotları oldu. Bu diyotlar güçlü ışınlar üretebiliyor ancak ışığın “düzensiz” yapısı, kullanılabilir hale gelmesi için stabilize edilmesini gerektiriyordu. Ekip, bu sorunu öz-enjeksiyon kilitleme (self-injection locking) adlı bir teknikle çözdü. Bu yöntem, ışığın küçük bir kısmını geri besleyerek lazeri filtreleyip sabitleyen rezonatörlerin çipe entegre edilmesini içeriyor.

Sonuçta ortaya çıkan lazer ışını hem güçlü hem de son derece kararlı hale geldi. Çip, bu sabitlenmiş lazeri çok renkli bir frekans tarağına dönüştürdü. Böylece, endüstriyel bir lazerin gücünü veri iletimi ve algılama için gereken hassasiyetle birleştiren küçük ama etkili bir fotonik cihaz ortaya çıktı. Araştırmacılar, bu teknolojinin yalnızca veri merkezlerinde değil; taşınabilir spektrometrelerde, ultra hassas optik saatlerde, kompakt kuantum cihazlarında ve gelişmiş lidar sistemlerinde de kullanılabileceğini belirtiyor. Gil-Molina bu durumu şöyle özetliyor: “Bu, laboratuvar düzeyindeki ışık kaynaklarını gerçek dünyadaki cihazlara taşımakla ilgili. Eğer bu sistemleri yeterince güçlü, verimli ve küçük hale getirebilirsek, neredeyse her yerde kullanılabilirler.”

Not: Giriş görsel yapay zeka ile oluşturulmuştur. Gerçek çipi göstermemektedir.