S nástupem éry velkých dat se ukázalo, že klasické způsoby zpracování informací nestačí. I když se přes 90 % dat přenáší ve formě světelných vln, jejich zpracování stále probíhá převážně v elektrické podobě – tedy pomaleji, s vyšší spotřebou energie a s potřebou přepínání mezi světelným a elektrickým signálem. Právě tento nesoulad je překážkou pro skutečně rychlou a efektivní komunikaci budoucnosti.

Zatímco konverze opticko-elektricko-optická (O-E-O) má své limity a komplikace, výzkumníci se už od 80. let snaží o tzv. all-optical information processing – tedy čistě světelné zpracování dat. Díky pokroku v oblasti křemíkové fotoniky nyní došlo k zásadnímu zlomu.

Křemíkový zázrak: Čip, který zvládne vše

Společný výzkum týmů z několika čínských univerzit vedl k vytvoření monoliticky integrovaného programovatelného AOSP čipu (all-optical signal processing). Ten zvládne nejen optickou filtraci, ale i regeneraci signálu a dokonce i logické operace – to vše bez převodu na elektrický signál. Čip je vyroben pomocí křemíkové fotoniky a díky tomu je kompatibilní s dnešními výrobními technologiemi, extrémně kompaktní a energeticky úsporný.

Zdroj: Shutterstock

Křemíková platforma čelila překážkám jako jsou ztráty způsobené absorpcí při vysokých výkonech nebo omezená kontrola nad šířením světla. Výzkumníkům se však podařilo tyto výzvy překonat vylepšením výrobních metod, struktur čipů i použitých materiálů.

Od filtrace po regeneraci: vše v jednom

Nový čip zvládá extrémně široké spektrum funkcí. Díky vysoké efektivitě a přesnému řízení šíření světla podporuje:

• optické filtry s laditelnou šířkou pásma (od 0,55 do 648,72 pm),
• logické operace rychlostí až 100 Gbit/s,
• regeneraci signálu včetně složitějších formátů jako QPSK,
• a osminásobné paralelní zpracování s celkovou kapacitou 800 Gbit/s.

Na jednom čipu bylo integrováno 136 různých prvků – od mřížek a logických bran po regenerátory a elektrody. Výsledkem je zařízení, které nejen zvládá současné nároky na rychlost a kapacitu, ale je zároveň připravené na budoucí formáty i síťovou infrastrukturu.

Výhled do budoucna: Světelné čipy jako nové jádro výpočetní techniky

Klasické výpočetní systémy a přenosové sítě narazily na své fyzikální limity. Se zvyšujícím se množstvím dat roste i potřeba nových řešení. A právě all-optical čipy jako ten, který nyní vznikl, mohou být základem pro:

• ultrarychlé servery a datová centra,
• nové generace kvantových i neuromorfních počítačů,
• pokročilé senzory a zobrazovací technologie,
• a samozřejmě pro optické sítě s automatickou adaptací a řízením.

Díky tomu, že světelné signály nevyžadují převod do elektrické formy, je možné dosáhnout zcela nové úrovně rychlosti, propustnosti i energetické efektivity. A protože optická nelinearita se odehrává v řádu femtosekund, jsou možnosti škálování obrovské.