Columbian yliopiston tutkijat ovat onnistuneet mahduttamaan monivärisen, korkean tehon laserin yhdelle sirulle. Saavutus voi mullistaa datakeskusten, mittalaitteiden ja kvanttisovellusten energiatehokkuuden ja suorituskyvyn. Tutkimus julkaistiin lokakuussa 2025 Nature Photonics -lehdessä.
Yleensä laser tuottaa vain yhtä valon aallonpituutta. Datakeskuksissa tämä tarkoittaa, että jokaista tiedonsiirtokanavaa varten tarvitaan oma laserinsa. Columbia Engineeringin professori Michal Lipsonin ja Alexander Gaetan johtama tutkimusryhmä onnistui kuitenkin luomaan sirun, joka muuttaa yhden voimakkaan laservalonsäteen niin sanotuksi taajuuskammaksi (frequency comb), jossa valo koostuu kymmenistä tasavälein jakautuneista väreistä. Yksi kompakti valonlähde voi siis korvata kokonaisen räkillisen yksittäisiä lasereita.
Taajuuskampa on erikoisvaloa, jossa monia aallonpituuksia esiintyy järjestyksessä ja säännöllisin välein. Koska eri värit eivät häiritse toisiaan, jokainen voi toimia omana tiedonsiirtokanavanaan. Tämä periaate, nimeltään wavelength-division multiplexing, on sama, joka mahdollisti internetin suuren nopeusloikan 1990-luvulla. Lipsonin ja Gaetan tutkimus toi saman idean mikroskooppiselle sirulle.
Tutkimusryhmä lähti liikkeelle kysymyksestä, kuinka tehokas laser ylipäätään voidaan integroida sirulle. He valitsivat lähtökohdaksi teollisuudessa käytettävän multimoodisen laserdiodin, joka tuottaa valtavasti valoa mutta on epävakaa ja “sotkuinen”. Valon ohjaaminen piisirulla, jonka valokanavat ovat mikrometrien levyisiä, vaati tarkkaa insinöörityötä.
Ratkaisuksi kehitettiin lukitusmekanismi, joka pakotti laservalon käyttäytymään hallitusti. Piifotoniikan avulla laservalon spektri puhdistettiin, jolloin siitä tuli koherenttia ja vakaata. Kun tämä puhdas valo johdettiin sirun epälineaarisiin optisiin rakenteisiin, se alkoi vuorovaikuttaa itsensä kanssa ja jakautui useiksi tasavälein sijoitetuiksi väreiksi – syntyi taajuuskampa. Näin yksi laser todella hallitsi kaikkia taajuuksia.
Tämä kehitys voi muuttaa tiedonsiirron infrastruktuuria. Yksi siru voi tuottaa kymmeniä erillisiä valokanavia, mikä vähentää datakeskusten tilantarvetta, energiankulutusta ja kustannuksia. Samalla tiedonsiirtonopeudet voivat moninkertaistua ilman uusia kuituja tai lisälaitteita.
Teknologian sovellukset ulottuvat kuitenkin paljon laajemmalle. Monivärinen, vakaa ja tehokas valo mahdollistaa kannettavat spektrometrit, tarkat optiset kellot, kompaktit kvanttisensorit ja entistä kehittyneemmät LiDAR-järjestelmät. - Tämä on askel kohti sitä, että laboratorioiden huipputason valonlähteet voidaan upottaa tavallisiin laitteisiin. Kun laser on sekä tehokas että pieni, sen voi laittaa melkein minne tahansa, sanoo tutkimuksen pääkirjoittaja Andres Gil-Molina.
