Учёные из Стэнфордского университета создали первый в мире практичный титаново-сапфировый лазер в масштабе микросхемы. Современные Ti:sapphire-лазеры в 10 000 раз больше и в 1000 раз дороже, тогда как стоимость производства крошечных лазеров на чипе будет условно копеечная. Такие лазеры подтолкнут развитие квантовых наук, помогут в офтальмологии, нейробиологии и много где ещё, где необходим источник интенсивного света.

Миниатюрный лазер опирается на титаново-сапфировый кубик на фоне 25-центовой монеты. Источник изображения: Nature

Титаново-сапфировые лазеры ценны тем, что они могут перестраиваться в относительно широком спектре когерентного излучения. Для науки и промышленности — это важнейшее качество, имя которому универсальность. Только сегодня подобные установки редкость даже в лабораториях, не говоря о промышленности. Они могут быть размером со средний рабочий стол, не говоря о вспомогательном оборудовании, например, лазерах для накачки, которые тоже стоят немалых денег. В конечном итоге стоимость одного такого лазерного комплекса может достигать полумиллиона долларов США.

Исследователи из Стэнфорда разработали технику создания титаново-сапфировых лазеров микрометрового масштаба. Сначала они нанесли на слой настоящего сапфирового стекла подложку из диоксида кремния (SiO₂), а затем создали поверх подложки объёмное титаново-сапфировое покрытие. Верхний слой травится и шлифуется до толщины в несколько сотен нанометров. На подложке остаётся волновод, как на показанном ниже снимке. Этот волновод работает как усилитель лазерного излучения.

Но самым ценным в разработке стал механизм перестройки лазера. Делается это с помощью дозированного нагрева волновода. В случае экспериментального лазера частоту его работы учёные смогли менять в пределах длин волн от красного до инфракрасного: от 700 до 1000 нм. Уменьшение размеров лазера также увеличило его интенсивность и энергоэффективность. Лазером накачки для такой платформы может быть очень маломощный источник.

«Это полный отход от старой модели, — поясняют учёные. — Вместо одного большого и дорогого лазера в любой лаборатории вскоре могут появиться сотни таких ценных лазеров на одном чипе. И всё это можно подпитывать зеленой лазерной указкой».

Компании, занимающиеся разработкой решений в области PCIe, уже некоторое время экспериментируют с оптической передачей данных в качестве альтернативы интерфейсу CopperLink. На мероприятии DevCon 2024 было продемонстрировано важное достижение: Cadence показала соединение PCIe 7.0 на скорости 128 ГТ/с с использованием стандартных компонентов.

Источник изображения: Cadence

В рамках демонстрации соединение поддерживалось непрерывно в течение двух дней — на протяжении всего мероприятия — без перерывов. Оптические коннекторы PCIe предназначаются для корпоративных решений: гиперскейлеров, облачных провайдеров, центров обработки данных и HPC. В качестве альтернативы CopperLink оптические коннекторы могут обеспечить разработчикам серверов и операторам ЦОД расширенные возможности с учётом высокой пропускной способности.

Спецификации CopperLink, утверждённые ранее в этом году, предлагают скорость до 32 и 64 ГТ/с для PCIe 5.0 и 6.0 соответственно; оптика поможет разогнать PCIe 6.0 и 7.0, но скорость в 128 ГТ/с, которую продемонстрировала Cadence, актуальна только для последней версии стандарта. Организация PCI-SIG создала отдел для разработки оптических соединений ещё в августе 2023 года. Планируется создание целого спектра решений для PCIe: подключаемые оптические трансиверы, встроенная оптика и оптические системы ввода-вывода. Окончательные спецификации оптического подключения, как ожидается, будут подготовлены к декабрю 2024 года.

Передовые потребительские ПК в настоящее время работают с PCIe 5.0 — стандарт обеспечивает SSD скорость выше 10 Гбайт/с. Спецификации PCIe 6.0 были опубликованы в начале 2022 года — в корпоративных системах соответствующие ему компоненты могут появиться в 2024 и 2025 годах. На минувшей неделе во время DevCon предварительные спецификации PCIe 7.0 обновились до версии 0.5, а окончательные появятся в следующем году. По первоначальным оценкам PCI-SIG, соответствующее им оборудование должно было появиться в 2027 году, но впоследствии сроки были перенесены ещё на год вперёд.

Спецификации PCIe 6.0 и 7.0 должны поддерживать пропускную способность до 256 и 512 Гбайт/с соответственно для интерфейсов x16. Их нововведения включают в себя модуляцию PAM4, Lightweight Forward Error Correction (L-FEC), Cyclic Redundancy Check (CRC) и Flow Control Units (Flits). Flits и многие другие функции PCIe 6.0 компания Cadence также продемонстрировала на DevCon.

Долгое время линзы были достаточно толстыми и тяжёлыми, что ограничивало их применение в ряде областей, например, в астрономии или в области крупногабаритных осветительных приборов. Жизнь стала проще с изобретением линзы Френеля со ступенчатой конструкцией. Сегодня учёные из Стэнфорда и Амстердамского университета довели идею ступенчатой линзы до абсолюта — они создали линзу толщиной всего в три атома, которой может найтись много применений.

Источник изображения: Ludovica Guarneri and Thomas Bauer

Как и классические линзы Френеля, разработка учёных представляет собой комбинацию из нескольких концентрических структур. Фактически это напыление из дисульфида вольфрама (WS₂), толщиной 0,6 нм. Предыдущий рекорд был установлен в 2016 году, когда учёные представили линзу толщиной 6,3 нм.

В своей работе, опубликованной в журнале Nano Letters, исследователи показали, как линза фокусирует красный свет. Фокусное расстояние отстоит от линзы на 1 мм. Круги из дисульфида вольфрама поглощают красные длины волн, а затем излучают их в точку фокуса. Строго говоря, излучают свет короткоживущие квазичастицы экситоны, которые излучают распадаясь. Все другие длины волн проходят сквозь материал линзы почти совершенно свободно. Подобная избирательность, считают учёные, может пригодиться в очках дополненной реальности. Сквозь них будет всё хорошо видно, но часть света может фокусироваться и нести дополнительную информацию.

Учёные продолжат работать над новыми линзами, намереваясь изучить вопрос создания сложных покрытий, активируемых электрическими зарядами.

Исследователи из Санкт-Петербургского Института точной механики и оптики (ИТМО) создали самый маленький в мире нанолазер для широкого спектра применений. Светоизлучающий прибор, который в 5 тысяч раз меньше миллиметра, может послужить как основой оптоэлектронных чипов, так и элементом дисплеев и медицинских приборов для точной диагностики.

Сергей Макаров. Источник изображения: Новый физтех ИТМО

«Ключевая идея предложенного дизайна нанолазера — использование нового механизма его работы за счет выстраивания сильной связи "свет-вещество". Это помогает значительно снизить порог его "включения". Излучение нанолазера имеет направленный характер, что позволяет эффективно собирать его в нашей оптической схеме и регистрировать на лабораторном спектрометре (прибор для фиксации, обработки и анализа волн света)», — рассказал Сергей Макаров, руководитель лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники ИТМО.

Нанолазеры позволяют излучать свет с длиной волны намного большей, чем источник излучения. Особенно проблемно было получить источник «зелёных» фотонов. Разработка ИТМО преодолела это ограничение, прозванное в научной среде «зелёной ямой» (green gap). Предыдущий созданный в институте зелёный нанолазер был размером 310 нм. Новый удалось уменьшить до 200 нм.

В качестве светоизлучающего материала российские учёные использовали искусственно синтезированный перовскит — CsPbBr₃ в форме кубоида. «Этот материал изучается в университете с 2017 года. За это время учёным удалось доказать, что он стабилен, имеет высокий коэффициент оптического усиления (позволяет использовать энергию света максимально эффективно), а главное — он лучше всего работает в зеленом спектре», — поясняется в пресс-релизе ИТМО.

Следует уточнить, что все поставленные до этого времени эксперименты проводились с оптической накачкой нанолазера. На следующем этапе учёные начнут опыты с электрической накачкой нанолазера, для чего материал поместили на металлическую подложку. Это уже путь к дисплеям на базе светоизлучающих нанолазеров.

Группа учёных из Китая объявила о создании устройства связи, которое может сыграть решающую роль в развитии сетей 6G. Оборудование, основанное на «технологии космической оптической коммутации», было выведено для испытаний на орбиту в августе 2023 года. Установленное на спутнике устройство способно передавать световые сигналы без преобразования их в электрические импульсы. Команда Сианьского института оптики и точной механики Китайской академии наук сообщила, что испытания в космосе прошли успешно,

Источник изображения: Pixabay

Традиционные коммутационные устройства связи в процессе передачи данных обычно преобразуют световые сигналы в электрические. Но этот традиционный фотон-электрон-фотонный метод имеет эффект «электронного узкого места», в то время как оптический подход может максимизировать скорость и ёмкость систем обмена данными. Новый метод также может снизить затраты на строительство специальных объектов связи.

Команда китайских учёных посвятила более десяти лет разработке устройства, повышающего возможности, гибкость и скорость передачи информации. «Сети связи следующего поколения, включая 6G, выйдут за рамки наземной связи, это должна быть глобальная сеть, включающая спутниковые узлы», — уверены разработчики. Согласно статье, опубликованной ими в прошлом году, новая технология на сегодняшний день поддерживает скорость передачи данных на уровне 40 гигабит в секунду.

Традиционно связь «спутник-земля» базируется на использовании радиосигнала, но скорость передачи данных сравнительно невысока из-за ограниченного диапазона используемых частот. Поэтому в последнее время всё больше внимания уделяется оптическим технологиям обмена информацией, в частности, лазерам. Полоса пропускания лазера потенциально может достигать нескольких сотен гигагерц, что позволяет упаковывать больше данных в каждую передачу.

Учёные уверены, что обычным коммутационным устройствам будет сложно превысить порог скорости передачи данных в 100 Гбайт/с из-за ограничений пропускной способности. Поэтому жизненно важно разработать более совершенную систему оптического обмена информацией. «Это особенно актуально для межпланетной связи, поскольку оптическая коммутация будет более эффективной, быстрой, компактной и дешёвой», — уверены исследователи.

Несмотря на последний прорыв китайской команды, исследователи говорят, что впереди ещё долгий путь до практического применения новой технологии. Спутниковый Интернет в Китае, включая технологию космической оптической коммутации, все ещё отстаёт от США, поскольку в некоторых важнейших компонентах и технологиях доминируют американские предприятия. На данный момент несколько компаний в отрасли, таких как Starlink Илона Маска (Elon Musk), экспериментируют с оптическим способом межспутниковой передачи данных.

Технология Power over Ethernet для передачи питания и данных по одному кабелю мало кого удивит, однако передача питания и данных по одному оптическому кабелю — это свежо и необычно. Этим удивили исследователи из японской корпорации NTT и учёные из Технологического института Китами. По единому оптоволоконному кабелю они передали данные и питание мощностью 1 Вт на расстояние свыше 10 км.

Источник изображения: Pixabay

Для эксперимента был взят обычный 125-мкм волоконно-оптический кабель с четырьмя волокнами. В каждый из четырёх световодов подавался свет с длиной волны 1550 нм, который использовался для получения энергии на противоположном конце, а в два волокна заводились данные на волне длиной 1310 нм. Скорость передачи данных оставалась на уровне 10 Гбит/с, но параллельно происходила передача питания мощностью 1 Вт на расстояние до 14 км.

Источник изображения: NTT

Утверждается, что эффективность предложенного решения достигает 14 Вт/км, что считается мировым рекордом. Подобное решение может стать спасением во время стихийных бедствий, когда на месте отсутствует питание. В таком случае оборудование может быть запитано издалека одновременно с передачей данных. Протянуть один оптический кабель в зону бедствия будет проще, дешевле и безопаснее, чем разворачивать обычную систему подачи электрической энергии. С такой работой сможет справиться даже небольшой коммерческий дрон, поэтому у новой разработки немало шансов воплотиться в реальные продукты.

Организация PCI-SIG доложила о формировании рабочей группы для разработки оптического интерфейса, который смог бы заменить используемую сейчас электронную шину. Это поможет сэкономить энергию, снизить тепловыделение и повысить производительность компьютеров в целом, но в первую очередь технология появится в серверах, дата-центрах и прочих мощных системах.

Источник изображения: Visor69 / pixabay.com

PCI Express, возможно, является важнейшей шиной ПК, соединяющей его наиболее важные компоненты: центральный процессор с дискретным графическим процессором и твердотельным накопителем, а также другими интерфейсами. Развитие этой технологии помогают повысить производительность компьютера в целом, но переход от электроники к оптике означал бы революцию.

Едва ли стоит ожидать, что оптическая версия PCIe появится в ближайшее время — будь то спецификация или тем более реальный прототип. Только в 2025 году ожидается выход спецификации PCI Express 7.0, которая предложит колоссальные 128 ГТ/с. На рынке же самыми актуальными остаются компоненты стандарта PCI Express 4.0, который был утверждён в 2017 году. Компоненты с PCIe 5.0 только начинают свой путь.

Применение оптики для передачи данных изучается более десяти лет: когда-то Intel предложила технологию Light Peak как замену USB, но впоследствии проект был переименован в Thunderbolt и претерпел значительные изменения. Тем не менее, оптические решения не утратили актуальности. Интерконнект вычислительных компонентов может потреблять до 80 % мощности чипов — оптика может снизить этот показатель и повысить скорость передачи данных.

Но в PCI-SIG так далеко пока не заглядывают. «Эта новая рабочая группа по оптическим технологиям будет работать над тем, чтобы сделать архитектуру PCIe более подходящей для оптических устройств», — говорится в заявлении организации.

Аналоговые компьютеры уходят своими корнями в античность. Пик своего развития они прошли с 40-х по 60-е годы XX века, после чего уступили место «цифре». Сегодня аналоговые вычислители снова начинают бросать вызов цифровым решениям в нейроморфных, квантовых и других приложениях и, как оказалось, могут оказаться намного производительнее в процессе крайне сложных математических расчётов.

Источник изображения: Pixabay

Так, в журнале Nature Nanotechnology вышла статья исследователей из института AMOLF, Университета Пенсильвании и Городского университета Нью-Йорка (CUNY), в которой они рассказали о создании наноструктурированной поверхности, которая может решать уравнения с помощью света.

Фактически речь идёт о создании оптических метаповерхностей, падение света на которые (и его отражение) происходит по обычным законам оптики по заранее физически вшитой функции. Этот метод нельзя поставить в один ряд с цифровыми системами для решения любых задач, но для выполнения специфических и математически сложных алгоритмов все очень и очень перспективно.

Цифровые архитектуры в лице процессоров больше не обещают взрывной рост производительности и такой же рост энергоэффективности, что часто формулируют в такой лаконичной форме, как «закон Мура мёртв». Переход на оптические сигналы и структурированные метаповерхности решает обе проблемы: он повысит скорость вычислений за счёт работы света в наноразмерных оптических структурах и снизит энергопотребление по причине отсутствия выделения тепла в ходе расчётов.

Идея подобных вычислений проста. В тончайшем прозрачном слое материи создаются прозрачные области и определённый наномасштабный рельеф под ними. Просто проходя сквозь слой и отражаясь от него свет выполняет расчёт по заданной формуле. Исследователи показали, что таким образом, например, можно обрабатывать изображения. И если обычные компьютеры тратят на такие операции множество циклов, особенно, если в процесс включена обработка матриц, то оптические системы производят вычисления за один цикл.

Источник изображения: Nature Nanotechnology

Один из ведущих авторов работы сказал: «Мы продемонстрировали новый мощный альянс между нанотехнологиями и аналоговыми вычислениями, который может проложить путь к созданию гибридных оптических и электронных вычислительных схем. Дальнейшее развитие наших идей приведет к решению задач повышенной сложности со скоростью и эффективностью, которые ранее были немыслимы».

Meta✴ сообщила о покупке бельгийско-нидерландской компании Luxexcel, передаёт ресурс UploadVR со ссылкой на представителя Meta✴. Основанная в 2009 году компания специализируется на 3D-печати диоптрийных линз.

Источник изображения: luxexcel.com

«Мы рады, что команда Luxexcel присоединилась к Meta✴, углубляя установленное партнёрство между двумя компаниями», — заявил представитель гиганта соцсетей. Новый актив поможет компании усилить своё присутствие на рынке дополненной реальности — это направление занимает более 50 % бюджета профильного подразделения Meta✴ Reality Labs.

Наряду с уже вышедшими Ray-Ban Stories и моделью второго поколения, компания работает над очками дополненной реальности Project Nazare. Глава Meta✴ Марк Цукерберг (Mark Zuckerberg) недавно заявил, что на рынок устройство выйдет в ближайшие годы, и Luxexcel сделает свой вклад в его разработку. Стоит отметить, что гарнитуры виртуальной реальности не предусматривают оптики с диоптриями — её приходится приобретать у сторонних производителей, тогда как Ray-Ban Stories такой вариант предполагают.

Ранее Meta✴ объявила о намерении поглотить стартап Within, разрабатывающий VR-приложение Supernatural для занятий фитнесом, однако сделка встретила противодействие со стороны Федеральной торговой комиссии США (FTC), и право на неё компании Meta✴ придётся отстаивать в суде.

Для создания 3D-голограммы требуется чрезвычайно точное и быстрое управление светом, что выходит за рамки возможностей существующих технологий на жидких кристаллах или микрозеркалах. Решение может быть найдено в свежей разработке международной группы учёных — они создали модулятор света, который по скорости реакции в 10 раз быстрее современных устройств.

Свет обретает форму. Источник изображения: Sampson Wilcox / MIT

«Мы сосредоточились на управлении светом, что является постоянной темой исследований с древности. Наша разработка — ещё один важный шаг к конечной цели полного оптического контроля (в пространстве и времени) для огромного количества приложений, использующих свет», — сказал ведущий автор работы Кристофер Пануски (Christopher Panuski).

Работа является результатом сотрудничества исследователей из Массачусетского технологического института, компании Flexcompute, Университета Стратклайда, Политехнического института Университета штата Нью-Йорк, компании Applied Nanotools, Рочестерского технологического института и Исследовательской лаборатории ВВС США. Публикация вышла в журнале Nature Photonics.

Конструктивно пространственный модулятор света (SLM) состоит из двух частей: блок управления резонатором представлен массивом светодиодов, а напротив располагается массив резонаторов — поле из фотонных кристаллов. Каждый оптический резонатор представляет собой что-то типа полости с регулируемыми свойствами, в которой свет многократно переотражается, прежде чем выйти наружу. Поскольку рабочие характеристики каждого микрорезонатора управляются своим светодиодом — система получилась программируемая, беспроводная и на порядок быстрее актуальных решений.

Микрорезонаторы преобразуют попавший в них извне лазерный луч согласно своим настройкам. Светодиоды играют также роль накачки лазерного луча. Свет лазера задерживается в резонаторе примерно на одну наносекунду, где успевает переотразиться около 10 тыс. раз. После этого резонатор испускает свет в запрограммированном направлении с заданной интенсивностью. Точнее, происходит передача всего светового поля матрицы резонаторов. Это может быть голографическая картинка, сканер тканей головного мозга или пакет передачи данных. И эта скорость передачи обработанной информации в 10 раз больше, чем позволяют современные решения.

Более того, учёные разработали технологию массового производства оптических резонаторов на 200-мм кремниевых пластинах. Утверждается, что предложенная технология сопровождается исчезающее малым уровнем брака. Новая работа в этом направлении обещает помочь создать большие массивы резонаторов для квантовых устройств и перспективных решений для визуализации типа 3D-голограмм или сканеров.

Исследователи из Технологического института Карлсруэ (KIT) первыми с помощью струйных принтеров напечатали зеркала Брэгга высокого качества. Это может проложить путь к цифровому производству зеркал по индивидуальным заказам, что сделает микро- и макрооптические системы намного дешевле и преобразит мир камер и датчиков.

Источник изображения: KIT

Традиционно многослойные распределённые брэгговские отражатели (РБО), которые широко используются в камерах и датчиках как медицинского, так промышленного и общего назначения, изготавливаются на сложном оборудовании, включая осаждение в вакууме из газовой фазы. Немецкие учёные разработали технологию послойной струйной печати РБО, которая позволяет быстро и сравнительно недорого напечатать многослойные зеркала едва ли не на любой поверхности с сохранением более 99 % отражательной способности.

Брэгговские зеркала могут улучшить как качество микросъёмки, так и эффективность солнечных или телевизионных панелей. Предложенная технология равно хорошо подходит для печати зеркал микронного размера и зеркал площадью в несколько квадратных метров.

«Брэгговские зеркала изготавливаются путем нанесения нескольких тонких слоев материалов на носитель. Полученное оптическое зеркало специфически отражает свет определенной длины волны. Отражательная способность брэгговского зеркала зависит от материалов, количества нанесенных слоев и их толщины. До сих пор зеркала Брэгга производились на дорогостоящих вакуумных установках. Теперь исследователи KIT первыми стали печатать их на различных носителях. Это значительно облегчает производство», — сообщается в пресс-релизе на сайте института Карлсруэ.

Самой большой проблемой было разработать подходящие краски и создать надёжный процесс для производства нескольких тонких слоев. Составляющие краски должны обладать подходящими оптическими свойствами и быть растворимыми. Кроме того, каждый слой должен быть как можно более однородным, чтобы получить последовательную «стопку» слоёв. Также должно точно контролироваться давление, а результаты должны быть воспроизводимыми, чтобы гарантировать отличные оптические свойства и высокую отражательную способность РБО при массовом производстве.

Прорывом стало использование в качестве «оптического» состава красок смеси двух различных материалов: оксида титана и полиметилметакрилата. Выбранные наночастицы показали необходимый результат, позволив добиться отражающей способности красок более 99 %, о чём исследователи рассказали в статье в журнале Advanced Materials.