Революційний лазерний підсилювач: як шведська інновація збільшить швидкість Інтернету в десять разів

Технологічний скачок: які таємниці ховає нітрид кремнію?

Уявіть собі світ, де завантаження фільму займає секунди, а не хвилини, де віртуальна реальність працює без затримок, а телемедицина дозволяє проводити операції на відстані в реальному часі. Саме такий світ наближають шведські вчені з Технологічного університету Чалмерса, які розробили революційний лазерний підсилювач.

Основна інновація полягає в застосуванні нітриду кремнію — міцного керамічного матеріалу, який витримує високі температури. Однак справжня революція полягає в його конструкції: звичайні підсилювачі, що використовуються в оптичних телекомунікаціях, мають смугу пропускання приблизно 30 нанометрів, тоді як новий підсилювач демонструє вражаючу смугу в 300 нанометрів.

Професор Петер Андрексон, головний автор дослідження, опублікованого в престижному журналі Nature 9 квітня 2025 року, пояснює: Наш підсилювач має смугу пропускання 300 нанометрів, що дозволяє передавати в десять разів більше даних за секунду, ніж існуючі системи.

Технологія базується на спірально згинутому хвилеводі, виготовленому з нітриду кремнію. На перший погляд, це може видатися елементарною концепцією, проте за нею стоїть ретельно продумана інженерна реалізація. Спіральна форма відкриває такі можливості:

Хвилеводи мають двошаровий поперечний переріз, товщиною приблизно 300 нм і шириною 1,9 мкм. Вчені виготовили два типи хвилеводів: один з 12 спіралями довжиною 18 см і другий з 68 спіралями довжиною 56 см. Це демонструє масштабованість технології та її потенціал для інтеграції в компактні пристрої.

Ключовим аспектом є те, що хвилеводи створюються за допомогою процесів, що відповідають стандартам CMOS-технології, що робить їх ідеальними для масштабованого виробництва. Це відкриває можливість швидкої комерціалізації технології та її інтеграції в вже діючі телекомунікаційні мережі.

Для тих, хто цікавиться технічними деталями, новий підсилювач працює на основі нелінійного оптичного ефекту, відомого як чотирихвильове змішування (four-wave mixing, FWM). Цей процес дозволяє ефективно підсилювати оптичні сигнали в широкому діапазоні довжин хвиль.

Головна інновація полягає в реалізації аномальної дисперсії в одномодовому хвилеводі. Вчені представили новий метод, який поєднує поздовжнє вигинання хвилеводу з змінами в поперечному перерізі. Цей підхід дозволяє ефективно пригнічувати моди вищого порядку, що забезпечує одномодовий режим роботи з підтримкою аномальної дисперсії.

Хвилеводи вражають надзвичайно низькими втратами на рівні приблизно 0,03 дБ/см при довжині хвилі 698 нм і 0,08 дБ/см при 450 нм. Це забезпечує високу ефективність підсилення з мінімальним внеском шуму. При використанні неперервної хвилі на 1551 нм, хвилеводи виявили здатність до чистого підсилення, з можливістю досягнення близько 20 дБ, якщо довжину хвилеводу збільшити до приблизно 2 метрів.

Збільшення швидкості передачі даних удесятеро — це не лише технічний прогрес. Це кардинальна трансформація, що торкнеться всіх сфер нашого цифрового існування.

Можливість здійснювати передачу даних зі швидкістю до сотень гігабіт на секунду відкриває нові горизонти для технологій, які наразі виглядають як наукова фантастика:

Скорочення затримок та підвищення надійності мережі стануть вирішальними для застосувань у реальному часі. Новітні рішення, такі як DOCSIS з низькою затримкою та передові технології оптоволокна, здатні знизити мережеві затримки до мілісекунд, що є критично важливим для інтерактивних ігор, телемедицини та автоматизації в промисловості.

Поєднання оптоволоконних і супутникових лазерних комунікаційних технологій дозволить розширити доступ до високошвидкісного інтернету в ізольованих та недостатньо забезпечених районах. Наприклад, лазерні комунікації, розроблені в Китаї, вже демонструють швидкість передачі даних на рівні 100 Гбіт/с, що в десять разів перевищує можливості системи Starlink.

Це послугуватиме основою для інклюзивного економічного розвитку, освіти та забезпечення медичних послуг у країнах, що перебувають на стадії розвитку. Технології можуть відігравати вирішальну роль у зменшенні глобальної нерівності в отриманні інформації.

Можливості нового підсилювача перевершують традиційні сфери телекомунікацій. Професор Андрексон зазначив, що незначні зміни у конструкції можуть забезпечити підсилення видимого та інфрачервоного світла. Це відкриває перспективи для застосування підсилювача в лазерних технологіях, що використовуються в медичній діагностиці, аналізі та лікуванні.

Широкий спектр пропускання відкриває можливості для детальнішого аналізу та візуалізації органів і тканин, що сприяє своєчасному виявленню захворювань. Компактні та високоефективні лазерні системи здатні підвищити точність хірургічних процедур, а швидша передача даних дозволить забезпечити більш якісні віддалені консультації та діагностику.

Технологія володіє можливістю бути впровадженою в численних сферах:

Попри помітні досягнення, залишаються деякі труднощі, які ускладнюють масове впровадження нових технологій.

Хоча технологічні досягнення є багатообіцяючими, широкомасштабне розгортання вимагає значних інвестицій в інфраструктуру, особливо в сільських та регіонах, що розвиваються. Оновлення існуючих мереж для підтримки швидкостей 10G пов'язане з витратами та логістичними викликами.

В Україні, де розвиток телекомунікаційної інфраструктури є нерівномірним, ця проблема набуває особливої ваги. У великих містах нові технології впроваджуються з великою швидкістю, тоді як сільські райони стикаються з серйозними труднощами в цій сфері.

Посилена зв'язність підвищує ризик виникнення кіберзагроз. Гарантування конфіденційності інформації та захисту мережі стане ключовим пріоритетом, оскільки обсяги даних зростають і стають все більш вагомими.

У світі, де геополітичні напруження та кібервійни набирають обертів, забезпечення безпеки комунікаційних мереж перетворюється на критично важливий аспект національної безпеки. Технології квантової криптографії, що можуть бути впроваджені за допомогою новітніх лазерних підсилювачів, стають не просто бажаними, а життєво необхідними.

Дослідники планують:

Створення інноваційного підсилювача, що базується на нітриді кремнію і використовує спіральні хвилеводи, є важливим досягненням у сфері інтегрованої нелінійної оптики. Його здатність забезпечувати надширокосмугове, низькошумове підсилення в компактному форматі, що сумісний з CMOS, відкриває нові горизонти для високошвидкісних телекомунікацій, передових медичних діагностичних технологій та універсальних фотонних систем.

Збільшення швидкості передачі даних у десять разів може стати справжньою революцією в області інтернет-комунікацій, адже це забезпечить швидший та більш надійний доступ до інформації, розваг і різноманітних послуг. Така зміна має особливе значення в умовах зростаючого попиту на пропускну здатність, що викликаний поширенням потокових платформ, розумних гаджетів та технологій генеративного штучного інтелекту.

Для України, яка прагне інтегруватися в глобальну цифрову економіку, впровадження таких технологій може стати стратегічним пріоритетом. Це не лише питання комфорту користувачів, але й конкурентоспроможності економіки, ефективності державного управління та національної безпеки.

Ми перебуваємо на межі нової доби в галузі телекомунікацій, і шведська технологія може стати тим ключем, який відкриє шляхи до майбутнього, в якому відстань перестане бути бар'єром для миттєвого обміну даними.

Хоча в дослідженні не вказано точну дату виходу на ринок, технологія була створена з використанням процесів, які сумісні з CMOS-технологією, що робить її готовою для масового виробництва. З огляду на швидкість впровадження нововведень у сфері телекомунікацій, перші комерційні застосування можуть з'явитися протягом 2-3 років після публікації дослідження, тобто приблизно в 2027-2028 роках.

Однією з ключових переваг нової технології є її можливість інтеграції в уже існуючу інфраструктуру оптоволокна. Підсилювачі зазвичай встановлюються на кінцях волоконно-оптичних ліній або в проміжних зонах для відновлення сигналу. Завдяки цьому для впровадження нової технології необхідно буде оновити лише обладнання на мережевих вузлах, без потреби в заміні самих кабелів, що істотно зменшує витрати на модернізацію.

У найближчій перспективі впровадження нових технологій може спровокувати незначне зростання цін на послуги, оскільки вимагатиме капіталовкладень в інфраструктуру. Проте, у довгостроковій перспективі підвищення пропускної здатності мереж зумовить зниження витрат на передачу кожної одиниці даних. Це, у поєднанні з конкурентними умовами на ринку, ймовірно призведе до зменшення вартості високошвидкісного інтернету для споживачів або ж до значного збільшення швидкості послуг за ту ж ціну.

Нова технологія має кілька екологічних переваг. По-перше, вона дозволяє передавати більше даних з використанням тієї ж кількості фізичних ресурсів, що зменшує потребу в нових матеріалах. По-друге, компактність підсилювачів зменшує потребу в просторі та охолодженні для телекомунікаційного обладнання. По-третє, більш ефективна передача даних зменшує енергоспоживання на одиницю переданої інформації, що сприяє зниженню вуглецевого сліду цифрової інфраструктури.

Так, нова технологія має значний потенціал для застосування в квантових комунікаціях. Широка смуга пропускання та низькі втрати роблять її ідеальною для передачі квантових станів фотонів, що є основою квантової криптографії та квантових мереж. Дослідники вже планують досліджувати застосування технології в квантовій фотоніці, що може призвести до створення більш ефективних та практичних систем квантового розподілу ключів та інших квантових комунікаційних протоколів.