מסרקי תדרים בקנה מידה שבב מניעים את עתיד הנתונים

חוקרים מאוניברסיטת קולומביה הנדסה יצרו שבב חדש שיכול להפוך לייזר ל"מסרק תדרים", ולייצר מספר ערוצי אור רבי עוצמה בו זמנית.

באמצעות מנגנון נעילה מיוחד, החוקרים ניקו אור לייזר מלכלך והשיגו דיוק ברמת מעבדה על מכשיר סיליקון קטן.הישג זה יכול לשפר משמעותית את יעילות מרכזי הנתונים ולהניע חדשנות בתחומי LiDAR, חישה וטכנולוגיה קוונטית.

מיקרוקומבס מכווצת דיוק ברמה מעבדתית על גבי שבב 

החוקרים יצרו את מכשיר המיקרו-מסרק בעל ההספק הגבוה כדי לשפר את טכנולוגיית LiDAR (Light Detection and Ranging).

LiDAR היא טכנולוגיית חישה מרחוק המשתמשת באור לייזר פועם כדי לחשב מרחקים וליצור מודלים תלת-ממדיים ברזולוציה גבוהה של הסביבה. היא פועלת כמו מכ"ם, אך משתמשת באור במקום בקול.

המערכת פולטת פולסי לייזר ומזהה את חזרתם כדי למדוד מרחקים מדויקים לעצמים ולעקוב אחר תנועה בזמן אמת.

מורכב מלייזר, סורק ומקלט GPS מיוחד, א LiDAR המכשיר מייצר "ענן נקודות" מפורט של נתונים, המשמש לאחר מכן ליצירת מפות תלת-ממדיות עבור יישומים כמו נהיגה אוטונומית, ניטור סביבתי, מדידות וארכיאולוגיה.

הטכנולוגיה הומצאה אי שם בשנות ה-1960, בתחילה יושמה במטאורולוגיה, חישת אוקיינוסים ומיפוי טופוגרפי, לפני שהשימוש בה הורחב לחלל על ידי נאס"א. בשנות ה-2010, מכוניות מסחריות החלו להשתמש ב-LiDAR, ומאז, LiDAR לרכב הפך פופולרי מאוד במכוניות חשמליות יוקרתיות.

לאור היישום הגובר של LiDAR, חוקרים עובדים ללא הרף על שיפור הטכנולוגיה. חידושים רבים ומרגשים של טכנולוגיות לייזר משולבים באופטיקה מתקדמת, מה שמאפשר מזעור נוסף ומבטיח לעתיד ארוך הטווח של מערכות LiDAR.

המוקד של חוקרים מבית הספר להנדסה ומדעים יישומיים באוניברסיטת קולומביה היה למצוא דרך לשחרר הספק גבוה יותר וטוהר ספקטרלי ממערכות לייזר קומפקטיות כדי לאפשר יצירת מסרק תדרים בקנה מידה של שבב. כדי לשפר את תקשורת, חישה, ספקטרוסקופיה, LiDAR ויישומים פוטוניים משולבים אחרים.

אז, הם יצרו מיקרו-מסרק, מכשיר פוטוני מיניאטורי שמייצר סדרה של תדרים אופטיים במרווחים שווים, כמו שיני מסרק, על שבב.

למסרקי תדר מיניאטוריים משולבים אלה יש פוטנציאל להפחית את גודלן של מערכות מורכבות הנדרשות באופן מסורתי עבור יישומים כאלה. לפיכך, מיקרו-קומבס משולבים מבטיחים עבור יישומים רבים הדורשים הספק יציאה גבוה, שטח קטן ויעילות גבוהה, כגון ספקטרוסקופיה, חישה ותקשורת נתונים.

לאחרונה, חוקרים הדגימו מיקרו-קומבים המופעלים חשמלית באמצעות שילוב של שבבי הגבר (אלמנטים אופטיים מוליכים למחצה) עם רזונטורים מהשורה הראשונה. אך ההספק האופטי הכולל שלהם עדיין נמוך בהרבה ממה שדרוש פתרונות מעשיים.

למגבלה זו יש טופלה על ידי חוקרים מקולומביה שהדגימו מיקרו-מסרקים בתדר קר בעלי עוצמה גבוהה המופעלים חשמלית. 

מדיודות "מלוכלכות" למיקרו-קומבס נקיות

מעניין לציין שזו הייתה תגלית מקרית. לפני מספר שנים, חוקרים במעבדתה של המחברת המשותפת מיכל ליפסון, פרופסור להנדסת חשמל ופרופסור לפיזיקה יישומית ע"ש יוג'ין היגינס, עבדנו על פרויקט לשיפור יכולות LiDAR כשהם שם לב למשהו מדהים.

הם תכננו שבבים בעלי הספק גבוה שיכלו לייצר קרני אור בהירות יותר, ו"ככל ששלחנו יותר ויותר כוח דרך השבב, שמנו לב שהוא יוצר את מה שאנחנו מכנים מסרק תדרים", אמר אנדרס גיל-מולינה, חוקר פוסט-דוקטורט לשעבר במעבדה של ליפסון וכיום מהנדס ראשי ב-Xscape Photonics.

מסרק תדרים הוא ספקטרום המורכב מקווי ספקטרלים נפרדים ובמרווחים קבועים. משמעות הדבר היא שסוג אור מיוחד זה מכיל צבעים שונים המסודרים זה לצד זה בצורה מסודרת, כפי שניתן לראות בקשת בענן.

כאן, עשרות תדרי אור זורחים. אבל הפערים בין הצבעים או התדרים השונים הללו נשארים חשוכים. אז, כשמסתכלים על התדרים הבהירים השונים האלה על ספקטרוגרם, הם נראים כמו קוצים או שיניים על מסרק, ומכאן השם.

בהתחשב בכך שצבעי אור שונים אינם מפריעים זה לזה, כל שן פועלת כערוץ בפני עצמו, ומציעה הזדמנות מדהימה לשלוח מספר זרמי נתונים בו זמנית.

למרות היותו מועיל ביותר, יצירת מסרק תדרים רב עוצמה דורשת לייזרים ומגברים גדולים ויקרים. 

פורסם ב Nature Photonics¹, המאמר מפרט כיצד ניתן לעשות את אותו הדבר על שבב בודד. 

"הטכנולוגיה שפיתחנו לוקחת לייזר חזק מאוד והופכת אותו לעשרות ערוצים נקיים ובעלי הספק גבוה על גבי שבב. משמעות הדבר היא שניתן להחליף מדפים של לייזרים בודדים במכשיר קומפקטי אחד, לחסוך בעלויות, במקום ולפתוח את הדלת למערכות מהירות ויעילות אנרגטית הרבה יותר."

– גיל-מולינה

לא רק שמחקר זה יכול למלא את הביקוש העצום שנוצר על ידי מרכזי נתונים למקורות אור רבי עוצמה ויעילים המכילים אורכי גל רבים, אלא שהוא גם מסמן אבן דרך במשימת הצוות לקדם פוטוניקה של סיליקון.

ידוע ביכולתו לאפשר העברת נתונים מהירה משמעותית תוך צריכת חשמל נמוכה יותר ויצירת חום פחות בהשוואה למסורתי מעגלים אלקטרוניים, פוטוניקה של סיליקון מצאה יישומים במרכזי נתונים במהירות גבוהה, בינה מלאכותית, LiDAR, טכנולוגיות קוונטיות, IoT ו-5G.

פוטוניקה של סיליקון משלבת רכיבים מבוססי אור על גבי שבב סיליקון באמצעות תהליכי ייצור CMOS סטנדרטיים כדי ליצור מעגלים משולבים פוטוניים (PICs). הוא משתמש בפרוסות סיליקון על מבודד (SOI) כפלטפורמת מוליכים למחצה ליצירת מוליכי גל ורכיבים אחרים המכוונים אור לתקשורת מהירה ויעילה יותר באנרגיה ולהתקנים קטנים וחסכוניים יותר.

"ככל שטכנולוגיה זו הופכת למרכזית יותר ויותר בתשתיות קריטיות ובחיי היומיום שלנו, התקדמות מסוג זה חיונית להבטחת יעילות מרכזית ככל האפשר."

– ליפסון

כיצד נעילת הזרקה עצמית מנקה ומכפילה אור

מהו הלייזר החזק ביותר שניתן להרכיב על שבב? שאלה זו הובילה את החוקרים לפריצת הדרך שלהם.

צוות קולומביה בחר דיודת לייזר רב-אופנית. דיודת לייזר (LD) היא התקן מוליך למחצה המייצר אור בצבע יחיד באורך גל מסוים. דיודות לייזר רב-אופניות, או לייזרים בעלי שטח רחב (BAL), מספקות הספק גבוה יותר והן אידיאליות כאשר נדרשת הספק אופטי גבוה ואיכות הקרן פחות קריטית.

מכשירים אלה מייצרים קרן רחבה יותר, מה שמפחית את איכות הקרן אבל מגדיל את צפיפות ההספק. דיודות לייזר רב-מודדיות נמצאות בשימוש נרחב ביישומים כגון מכשירים רפואיים, הדפסה והדמיה, וכלי חיתוך לייזר. 

למרות שהם מייצרים כמויות עצומות של אור, אלומת הלייזרים הללו "מבולגנת", מה שמקשה על השימוש בהם ליישומים מדויקים. 

שילוב דיודת לייזר רב-מודדית בשבב פוטוניקה מסיליקון, שבו נתיבי האור הם רק רחב כמו בדיוק כמה מיקרומטרים (μm) או אפילו מאות ננומטרים (nm), אולם, קוראת להנדסה זהירה.

כדי לטהר את מקור האור העוצמתי אך הרועש מאוד הזה, הצוות השתמש במנגנון נעילה.

נעילת ההזרקה העצמית שימשה במשטר הלא ליניארי כדי לייצר מסרקי הספק גבוהים על השבב ולטהר את הקוהרנטיות של מקור המשאבה. באותו הזמן.

נעילת הזרקה היא אפקט התדר שיכול להתרחש כאשר מתנד מופרע על ידי מתנד שני הפועל בתדר סמוך. כאשר התדרים קרובים מספיק והצימוד חזק, המתנד השני יכול ללכוד את הראשון, מה שגורם לו להיות בעל תדר זהה למעשה לזו של המתנד השני.

טכניקה זו מיושמת בעיקר על מקורות לייזר בתדר יחיד בגל רציף (CW) כאשר נדרשת הספק גבוה, בשילוב עם א רעש בעוצמה נמוכה מאוד ורעש פאזה.

זה מסתמך על פוטוניקה של סיליקון כדי לעצב מחדש ולנקות את פלט הלייזר, ויוצר קרן יציבה ונקייה יותר, שנקרא קוהרנטיות גבוהה. לאחר שהאור מטוהר, תכונות אופטיות לא ליניאריות של השבב משתלטות, ומפצלות את הקרן העוצמתית היחידה לעשרות צבעים אשר... מרווחים באופן שווה, שהוא המאפיין המרכזי של מסרק תדרים.

מקור האור הקומפקטי והיעיל שנוצר משלב את העוצמה הגולמית של לייזר תעשייתי עם היציבות והדיוק הנדרשים לתקשורת וחישה מתקדמים.

המקור בעל הקוהרנטיות הנמוכה שולב עם הספק יציאה גבוה ומהודים מטבעות סיליקון ניטריד. התהודה מעוצבים עם פיזור מהירות קבוצתי רגיל, כלומר המהירות יורדת ככל שתדר האופטי עולה. זֶה מתרחש כאשר אורכי גל ארוכים יותר של אור נעים מהר יותר מאורכי גל קצרים יותר בתווך, מה שגורם להתפשטות פולסים אופטיים לאורך זמן.

המיקרו-קומבס שיצר הצוות השיגו רמות הספק כוללות על השבב של עד 158 מיליוואט. קווי המסרק, לעומת זאת, היו בעלי רוחב קו פנימי של 200 קילוהרץ. גם החוקרים הראה יותר מפי שניים ממספר קווי המסרק מְצוּיָן 100 מיקרו-וואט וגדול בסדר גודל רמות הספק על השבב מכל תוצאה שדווחה בעבר.

חוקרים אמרו:

"מקור המיקרו-קומב החדשני שלנו, המופעל חשמלית, בעל הגודל, ההספק ורוחב הקו הנדרשים לתקשורת נתונים, ויכול להשפיע רבות על תחומים אחרים כמו מחשוב בעל ביצועים גבוהים והתקנים נפוצים עבור יישומי חישה ספקטרלית ושמירת זמן." 

פריצת הדרך מגיעה בתקופה שבה פריחת הבינה המלאכותית גורם לעלייה חדה בביקוש לקיבולת מרכזי נתונים. זֶה גורם לעומס על התשתית שלהן, ומתקשה להעביר מידע במהירות. כתוצאה מכך, חברות בונות תשתית המתמחה בבינה מלאכותית כדי להתמודד עם דרישות החישוב העצומות לאימון ולהפעלת מודלים גדולים של בינה מלאכותית. 

כבר עכשיו, סיבים קישורים אופטיים הם בשימוש על ידי מרכזי נתונים מתקדמים להעברת נתונים, אך אפילו הם תלויים בלייזרים בעלי אורך גל יחיד.

על ידי עשרות קורות ריצה במקביל דרך אותו דבר סיב בודד, במקום קרן אחת הנושאת רק זרם נתונים אחד, מסרקי תדרים יכולים לשפר באופן דרמטי את יכולות מרכזי הנתונים.

אותו עיקרון בדיוק עמד מאחורי WDM, או ריבוב חלוקת גל, טכנולוגיית סיבים אופטיים ששולח מספר זרמי נתונים בו זמנית דרך סיב אופטי יחיד על ידי הקצאת אורך גל ייחודי של אור לכל זרם, מה שמגדיל משמעותית את קיבולת הנתונים. מאפשר רוחב פס גבוה יותר. WDM סייע לאינטרנט להפוך לרשת עולמית במהירות גבוהה בסוף שנות ה-1990.

כעת, צוותו של ליפסון מייצר מסרקים בעלי עוצמה גבוהה, רב-אורכי גל, קטנים כל כך עד שניתן להתאים אותם ישירות לשבב. הישג זה יהיה לאפשר להציג יכולת זו לתוך אלה חלקים של מערכות מחשוב מודרניות שהם קומפקטיים ויקרים.

בדרך זו, השבבים יכולים לשנות את אופן פעולתם של מרכזי נתונים על ידי ייעול אופן העברת ועיבוד המידע, משפיע תכנון מרכזי נתונים מהדור הבא ומכשירים רבים אחרים התלויים בתקשורת אופטית יעילה. אותם שבבים יכולים גם לאפשר מערכות LiDAR מתקדמות, התקנים קוונטיים קומפקטיים, שעונים אופטיים מדויקים ביותר וספקטרומטרים ניידים.

"מדובר בהבאת מקורות אור ברמה מעבדתית למכשירים אמיתיים. אם אפשר להפוך אותם לעוצמתיים, יעילים וקטנים מספיק, אפשר למקם אותם כמעט בכל מקום."

- גיל-מולינה

החלק כדי לגלול →

השקעה בטכנולוגיית לייזר

מובילה עולמית בתחום טכנולוגיות הפוטוניקה והלייזר, Coherent Corp. (COHR ) מייצרת דיודות לייזר מוליכים למחצה ורכיבים אופטיים בעלי ביצועים גבוהים.

כאשר עסקי הליבה שלה סובבים סביב פיתוח וייצור פתרונות מבוססי פוטוניקה, שהם קריטיים בעידן של ימינו של מחשוב מתקדם והעברת נתונים, Coherent ביססה את עצמה ככוח דומיננטי בתעשיית התקשורת האופטית ולוקח על עצמו נתח שוק חזק. 

מגזרי החברה כוללים את תחום הרשתות, אשר ממנפת את טכנולוגיית המוליכים למחצה המורכבים שלה כדי לספק רכיבים ותת-מערכות, חומרים כוללים התקנים אופטואלקטרוניים כמו אלה המבוססים על סיליקון קרביד (SiC), גליום אנטימוניד (GaSb), גליום ארסניד (GaAs), אינדיום פוספיד (InP), אבץ סלניד (ZnSe) ואבץ גופרתי (ZnS), ומגזר הלייזרים משרת לקוחות תעשייתיים בתחומי המוליכים למחצה, ייצור מדויק, וחלל וביטחון, ואחרים באמצעות מוצרי הלייזרים והאופטיקה שלה.

Coherent Corp. (COHR )

עם מגוון רחב של מוצרים חדשניים מבוססי פוטוניקה, Coherent מסוגלת להציע פתרונות מותאמים אישית ומקיף ללקוחותיה, כמו גם לשרת את צרכי המדרגיות של תשתית בינה מלאכותית.

המיקוד האסטרטגי שלה בשוק הבינה המלאכותית ממצב את Coherent כבעלת פוטנציאל להרוויח כסף משמעותי מהצמיחה המתמשכת של הבינה המלאכותית. זֶה מהווה תוספת לביקוש הגובר לרכיבים אופטיים בעלי ביצועים גבוהים. אך במקביל, החברה מתמודדת עם אתגרים כתוצאה מתחרות גוברת הן במגזרי הבינה המלאכותית והן במגזרי התקשורת האופטית.

כשמדובר ביצועי השוק של קוהרנט, היא נהנית מרגע של עלייה, יותר כמו שוק המניות הרחב. מניית COHR, עם עלייה של 29.16% עד כה השנה, נסחרת כעת במחיר של 123.70 דולר, נכון לכתיבת שורות אלה - שיא ​​חדש של כל הזמנים (ATH) המעמיד את שווי השוק של החברה על 19.20 מיליארד דולר.

בחודש אפריל, מניית COHR ירדה ל-50 דולר לאחר ששוק המניות חווה תיקון., ומאז אז, מניית קוהרנט עלתה בכ-146%. ורק לפני שנתיים, COHR נסחרה מתחת ל-30 דולר, מה שמייצג התאוששות חזקה.

עם זאת, החברה מציגה רווח למניה (ETM) של -0.62 ומכפיל רווח (ETM) של -198.72.

באשר למצבה הפיננסי של קוהרנט, היא דיווחה על הכנסות שיא של 1.53 מיליארד דולר ברבעון הרביעי שהסתיים ב-30 ביוני 2025. שולי הרווח הגולמי לפי GAAP במהלך התקופה היו 35.7% וההפסד הנקי לפי GAAP היה 0.83 דולר למניה מדוללת, בעוד שעל בסיס שאינו GAAP, שולי הרווח הגולמי שלה היו 38.1% והרווח הנקי למניה מדוללת היה 1.00 דולר.

עבור שנת הכספים 2025 כולה, ההכנסות שלה הסתכמו גם הן בשיא של 5.81 מיליארד דולר. שולי הרווח הגולמי לפי GAAP היו 35.2% וההפסד הנקי לפי GAAP היה 0.52 דולר למניה מדוללת, בעוד ששולי הרווח הגולמי non-GAAP היו 37.9% והרווח הנקי למניה מדוללת היה 3.53 דולר.

לדברי המנכ"ל ג'ים אנדרסון:

"השגנו שנת כספים 2025 חזקה עם צמיחה בהכנסות של 23% וצמיחה של 191% ברווח למניה (non-GAAP). אנו מאמינים שאנו ממוצבים היטב להמשיך ולקדם צמיחה חזקה בהכנסות וברווחים בטווח הארוך, בהתחשב בחשיפה שלנו למניעי צמיחה מרכזיים כמו מרכזי נתונים מבוססי בינה מלאכותית."

במהלך רבעון זה, החברה החלה במשלוחים של מוצרי משדר-מקלט 1.6T שלה, המאפשרים יישומי מרכזי נתונים בעלי ביצועים גבוהים של בינה מלאכותית. כמו כן הוצג חומר מרוכב חדש מ-SiC מבית יהלום לקירור מתקדם של מרכזי נתונים אלה.

יתר על כן, Coherent רשמה את ההכנסות הראשונות שלה מ-Optical Circuit Switch (OCS) והציגה את פלטפורמת לייזר האקסימר. זה היה מְעוּדכָּן לייצור בטמפרטורה גבוהה של סרט מוליך-על עבור אנרגיה מתפתחת טק, כמו היתוך. 

בשבועיים האחרונים, Coherent הוציאה מספר מוצרים חדשים, כולל סדרה שלמה של מעגלים משולבים מרובעים המאפשרים משדרי-מקלט אופטיים יעילים ומהירים יותר עבור בינה מלאכותית וענן, פתרון הלייזר הכפול QSFP28 100G ZR הראשון בתעשייה למקסום הקיבולת בתשתית סיבים קיימת, ולייזרים בעלי גל רציף בהספק גבוה של 400 mW כדי לעמוד בדרישות התובעניות של יישומי אופטיקה משולבת ופוטוניקה של סיליקון.

לאחרונה, Coherent הדגימה את מערכי ה-VCSEL הדו-ממדיים והפוטודיודה (PD) מהדור הבא שלה כדי להתמודד עם הדרישות הגוברות לתעבורת נתונים במרכזי נתונים מודרניים.

לפני שבועיים, קוהרנט נכנסה לתיקונים, הכוללים מימון מחדש של התחייבויות אשראי מתגלגלות קיימות והגדלת סך הקורס ל-700 מיליון דולר., להסכם האשראי שלה עם בנק צ'יי פי מורגן (JPM ) ומלווים אחרים, שיפור הנזילות והגמישות הפיננסית של החברה לתמיכה בפעילות ובצמיחה.

סיכום

אוניברסיטת קולומביה יש עשוי הנדסה הישג, הצגה כיצד רגעים בלתי צפויים במדע יכולים להוביל אפילו גדול וטוב יותר תגליות עם ה- יכולת להגדיר מחדש שדות שלמים. על ידי הפיכת קרן מבולגנת אחת לעשרות ערוצי אור חזקים ויציבים,הצוות הניח את היסודות לדור הבא של מערכות אופטיות.

מ מהפכה ב-LiDAR וצמצום התקנים קוונטיים כדי להגביר את הקיבולת של מרכזי נתונים המונעים על ידי בינה מלאכותית, טכנולוגיה זו מייצגת קפיצת מדרגה משמעותית בשילוב פוטוניקה. וככל שהעולם צועד לעבר מערכות תקשורת מהירות ויעילות יותר באנרגיה, מערכות קומפקטיותשבבי מסרק תדירות יכולים להוות בסיס לתשתית מחשוב עתידית.

לחץ כאן כדי ללמוד הכל על השקעה בבינה מלאכותית.

הפניות

1. גיל-מולינה, א., אנטמן, י., ווסטרייך, א., ואחרים (2025). מיקרו-קומבים בעלי שאיבה חשמלית גבוהה. Nature Photonics, 19(10), 873–879. פורסם ב-7 באוקטובר 2025. https://doi.org/10.1038/s41566-025-01769-z

חוקרים מאוניברסיטת קולומביה הנדסה יצרו שבב חדש שיכול להפוך לייזר ל"מסרק תדרים", ולייצר מספר ערוצי אור רבי עוצמה בו זמנית.

באמצעות מנגנון נעילה מיוחד, החוקרים ניקו אור לייזר מלכלך והשיגו דיוק ברמת מעבדה על מכשיר סיליקון קטן.הישג זה יכול לשפר משמעותית את יעילות מרכזי הנתונים ולהניע חדשנות בתחומי LiDAR, חישה וטכנולוגיה קוונטית.

מיקרוקומבס מכווצת דיוק ברמה מעבדתית על גבי שבב 

החוקרים יצרו את מכשיר המיקרו-מסרק בעל ההספק הגבוה כדי לשפר את טכנולוגיית LiDAR (Light Detection and Ranging).

LiDAR היא טכנולוגיית חישה מרחוק המשתמשת באור לייזר פועם כדי לחשב מרחקים וליצור מודלים תלת-ממדיים ברזולוציה גבוהה של הסביבה. היא פועלת כמו מכ"ם, אך משתמשת באור במקום בקול.

המערכת פולטת פולסי לייזר ומזהה את חזרתם כדי למדוד מרחקים מדויקים לעצמים ולעקוב אחר תנועה בזמן אמת.

מורכב מלייזר, סורק ומקלט GPS מיוחד, א LiDAR המכשיר מייצר "ענן נקודות" מפורט של נתונים, המשמש לאחר מכן ליצירת מפות תלת-ממדיות עבור יישומים כמו נהיגה אוטונומית, ניטור סביבתי, מדידות וארכיאולוגיה.

הטכנולוגיה הומצאה אי שם בשנות ה-1960, בתחילה יושמה במטאורולוגיה, חישת אוקיינוסים ומיפוי טופוגרפי, לפני שהשימוש בה הורחב לחלל על ידי נאס"א. בשנות ה-2010, מכוניות מסחריות החלו להשתמש ב-LiDAR, ומאז, LiDAR לרכב הפך פופולרי מאוד במכוניות חשמליות יוקרתיות.

לאור היישום הגובר של LiDAR, חוקרים עובדים ללא הרף על שיפור הטכנולוגיה. חידושים רבים ומרגשים של טכנולוגיות לייזר משולבים באופטיקה מתקדמת, מה שמאפשר מזעור נוסף ומבטיח לעתיד ארוך הטווח של מערכות LiDAR.

המוקד של חוקרים מבית הספר להנדסה ומדעים יישומיים באוניברסיטת קולומביה היה למצוא דרך לשחרר הספק גבוה יותר וטוהר ספקטרלי ממערכות לייזר קומפקטיות כדי לאפשר יצירת מסרק תדרים בקנה מידה של שבב. כדי לשפר את תקשורת, חישה, ספקטרוסקופיה, LiDAR ויישומים פוטוניים משולבים אחרים.

אז, הם יצרו מיקרו-מסרק, מכשיר פוטוני מיניאטורי שמייצר סדרה של תדרים אופטיים במרווחים שווים, כמו שיני מסרק, על שבב.

למסרקי תדר מיניאטוריים משולבים אלה יש פוטנציאל להפחית את גודלן של מערכות מורכבות הנדרשות באופן מסורתי עבור יישומים כאלה. לפיכך, מיקרו-קומבס משולבים מבטיחים עבור יישומים רבים הדורשים הספק יציאה גבוה, שטח קטן ויעילות גבוהה, כגון ספקטרוסקופיה, חישה ותקשורת נתונים.

לאחרונה, חוקרים הדגימו מיקרו-קומבים המופעלים חשמלית באמצעות שילוב של שבבי הגבר (אלמנטים אופטיים מוליכים למחצה) עם רזונטורים מהשורה הראשונה. אך ההספק האופטי הכולל שלהם עדיין נמוך בהרבה ממה שדרוש פתרונות מעשיים.

למגבלה זו יש טופלה על ידי חוקרים מקולומביה שהדגימו מיקרו-מסרקים בתדר קר בעלי עוצמה גבוהה המופעלים חשמלית. 

מדיודות "מלוכלכות" למיקרו-קומבס נקיות

מעניין לציין שזו הייתה תגלית מקרית. לפני מספר שנים, חוקרים במעבדתה של המחברת המשותפת מיכל ליפסון, פרופסור להנדסת חשמל ופרופסור לפיזיקה יישומית ע"ש יוג'ין היגינס, עבדנו על פרויקט לשיפור יכולות LiDAR כשהם שם לב למשהו מדהים.

הם תכננו שבבים בעלי הספק גבוה שיכלו לייצר קרני אור בהירות יותר, ו"ככל ששלחנו יותר ויותר כוח דרך השבב, שמנו לב שהוא יוצר את מה שאנחנו מכנים מסרק תדרים", אמר אנדרס גיל-מולינה, חוקר פוסט-דוקטורט לשעבר במעבדה של ליפסון וכיום מהנדס ראשי ב-Xscape Photonics.

מסרק תדרים הוא ספקטרום המורכב מקווי ספקטרלים נפרדים ובמרווחים קבועים. משמעות הדבר היא שסוג אור מיוחד זה מכיל צבעים שונים המסודרים זה לצד זה בצורה מסודרת, כפי שניתן לראות בקשת בענן.

כאן, עשרות תדרי אור זורחים. אבל הפערים בין הצבעים או התדרים השונים הללו נשארים חשוכים. אז, כשמסתכלים על התדרים הבהירים השונים האלה על ספקטרוגרם, הם נראים כמו קוצים או שיניים על מסרק, ומכאן השם.

בהתחשב בכך שצבעי אור שונים אינם מפריעים זה לזה, כל שן פועלת כערוץ בפני עצמו, ומציעה הזדמנות מדהימה לשלוח מספר זרמי נתונים בו זמנית.

למרות היותו מועיל ביותר, יצירת מסרק תדרים רב עוצמה דורשת לייזרים ומגברים גדולים ויקרים. 

פורסם ב Nature Photonics¹, המאמר מפרט כיצד ניתן לעשות את אותו הדבר על שבב בודד. 

"הטכנולוגיה שפיתחנו לוקחת לייזר חזק מאוד והופכת אותו לעשרות ערוצים נקיים ובעלי הספק גבוה על גבי שבב. משמעות הדבר היא שניתן להחליף מדפים של לייזרים בודדים במכשיר קומפקטי אחד, לחסוך בעלויות, במקום ולפתוח את הדלת למערכות מהירות ויעילות אנרגטית הרבה יותר."

– גיל-מולינה

לא רק שמחקר זה יכול למלא את הביקוש העצום שנוצר על ידי מרכזי נתונים למקורות אור רבי עוצמה ויעילים המכילים אורכי גל רבים, אלא שהוא גם מסמן אבן דרך במשימת הצוות לקדם פוטוניקה של סיליקון.

ידוע ביכולתו לאפשר העברת נתונים מהירה משמעותית תוך צריכת חשמל נמוכה יותר ויצירת חום פחות בהשוואה למסורתי מעגלים אלקטרוניים, פוטוניקה של סיליקון מצאה יישומים במרכזי נתונים במהירות גבוהה, בינה מלאכותית, LiDAR, טכנולוגיות קוונטיות, IoT ו-5G.

פוטוניקה של סיליקון משלבת רכיבים מבוססי אור על גבי שבב סיליקון באמצעות תהליכי ייצור CMOS סטנדרטיים כדי ליצור מעגלים משולבים פוטוניים (PICs). הוא משתמש בפרוסות סיליקון על מבודד (SOI) כפלטפורמת מוליכים למחצה ליצירת מוליכי גל ורכיבים אחרים המכוונים אור לתקשורת מהירה ויעילה יותר באנרגיה ולהתקנים קטנים וחסכוניים יותר.

"ככל שטכנולוגיה זו הופכת למרכזית יותר ויותר בתשתיות קריטיות ובחיי היומיום שלנו, התקדמות מסוג זה חיונית להבטחת יעילות מרכזית ככל האפשר."

– ליפסון

כיצד נעילת הזרקה עצמית מנקה ומכפילה אור

מהו הלייזר החזק ביותר שניתן להרכיב על שבב? שאלה זו הובילה את החוקרים לפריצת הדרך שלהם.

צוות קולומביה בחר דיודת לייזר רב-אופנית. דיודת לייזר (LD) היא התקן מוליך למחצה המייצר אור בצבע יחיד באורך גל מסוים. דיודות לייזר רב-אופניות, או לייזרים בעלי שטח רחב (BAL), מספקות הספק גבוה יותר והן אידיאליות כאשר נדרשת הספק אופטי גבוה ואיכות הקרן פחות קריטית.

מכשירים אלה מייצרים קרן רחבה יותר, מה שמפחית את איכות הקרן אבל מגדיל את צפיפות ההספק. דיודות לייזר רב-מודדיות נמצאות בשימוש נרחב ביישומים כגון מכשירים רפואיים, הדפסה והדמיה, וכלי חיתוך לייזר. 

למרות שהם מייצרים כמויות עצומות של אור, אלומת הלייזרים הללו "מבולגנת", מה שמקשה על השימוש בהם ליישומים מדויקים. 

שילוב דיודת לייזר רב-מודדית בשבב פוטוניקה מסיליקון, שבו נתיבי האור הם רק רחב כמו בדיוק כמה מיקרומטרים (μm) או אפילו מאות ננומטרים (nm), אולם, קוראת להנדסה זהירה.

כדי לטהר את מקור האור העוצמתי אך הרועש מאוד הזה, הצוות השתמש במנגנון נעילה.

נעילת ההזרקה העצמית שימשה במשטר הלא ליניארי כדי לייצר מסרקי הספק גבוהים על השבב ולטהר את הקוהרנטיות של מקור המשאבה. באותו הזמן.

נעילת הזרקה היא אפקט התדר שיכול להתרחש כאשר מתנד מופרע על ידי מתנד שני הפועל בתדר סמוך. כאשר התדרים קרובים מספיק והצימוד חזק, המתנד השני יכול ללכוד את הראשון, מה שגורם לו להיות בעל תדר זהה למעשה לזו של המתנד השני.

טכניקה זו מיושמת בעיקר על מקורות לייזר בתדר יחיד בגל רציף (CW) כאשר נדרשת הספק גבוה, בשילוב עם א רעש בעוצמה נמוכה מאוד ורעש פאזה.

זה מסתמך על פוטוניקה של סיליקון כדי לעצב מחדש ולנקות את פלט הלייזר, ויוצר קרן יציבה ונקייה יותר, שנקרא קוהרנטיות גבוהה. לאחר שהאור מטוהר, תכונות אופטיות לא ליניאריות של השבב משתלטות, ומפצלות את הקרן העוצמתית היחידה לעשרות צבעים אשר... מרווחים באופן שווה, שהוא המאפיין המרכזי של מסרק תדרים.

מקור האור הקומפקטי והיעיל שנוצר משלב את העוצמה הגולמית של לייזר תעשייתי עם היציבות והדיוק הנדרשים לתקשורת וחישה מתקדמים.

המקור בעל הקוהרנטיות הנמוכה שולב עם הספק יציאה גבוה ומהודים מטבעות סיליקון ניטריד. התהודה מעוצבים עם פיזור מהירות קבוצתי רגיל, כלומר המהירות יורדת ככל שתדר האופטי עולה. זֶה מתרחש כאשר אורכי גל ארוכים יותר של אור נעים מהר יותר מאורכי גל קצרים יותר בתווך, מה שגורם להתפשטות פולסים אופטיים לאורך זמן.

המיקרו-קומבס שיצר הצוות השיגו רמות הספק כוללות על השבב של עד 158 מיליוואט. קווי המסרק, לעומת זאת, היו בעלי רוחב קו פנימי של 200 קילוהרץ. גם החוקרים הראה יותר מפי שניים ממספר קווי המסרק מְצוּיָן 100 מיקרו-וואט וגדול בסדר גודל רמות הספק על השבב מכל תוצאה שדווחה בעבר.

חוקרים אמרו:

"מקור המיקרו-קומב החדשני שלנו, המופעל חשמלית, בעל הגודל, ההספק ורוחב הקו הנדרשים לתקשורת נתונים, ויכול להשפיע רבות על תחומים אחרים כמו מחשוב בעל ביצועים גבוהים והתקנים נפוצים עבור יישומי חישה ספקטרלית ושמירת זמן." 

פריצת הדרך מגיעה בתקופה שבה פריחת הבינה המלאכותית גורם לעלייה חדה בביקוש לקיבולת מרכזי נתונים. זֶה גורם לעומס על התשתית שלהן, ומתקשה להעביר מידע במהירות. כתוצאה מכך, חברות בונות תשתית המתמחה בבינה מלאכותית כדי להתמודד עם דרישות החישוב העצומות לאימון ולהפעלת מודלים גדולים של בינה מלאכותית. 

כבר עכשיו, סיבים קישורים אופטיים הם בשימוש על ידי מרכזי נתונים מתקדמים להעברת נתונים, אך אפילו הם תלויים בלייזרים בעלי אורך גל יחיד.

על ידי עשרות קורות ריצה במקביל דרך אותו דבר סיב בודד, במקום קרן אחת הנושאת רק זרם נתונים אחד, מסרקי תדרים יכולים לשפר באופן דרמטי את יכולות מרכזי הנתונים.

אותו עיקרון בדיוק עמד מאחורי WDM, או ריבוב חלוקת גל, טכנולוגיית סיבים אופטיים ששולח מספר זרמי נתונים בו זמנית דרך סיב אופטי יחיד על ידי הקצאת אורך גל ייחודי של אור לכל זרם, מה שמגדיל משמעותית את קיבולת הנתונים. מאפשר רוחב פס גבוה יותר. WDM סייע לאינטרנט להפוך לרשת עולמית במהירות גבוהה בסוף שנות ה-1990.

כעת, צוותו של ליפסון מייצר מסרקים בעלי עוצמה גבוהה, רב-אורכי גל, קטנים כל כך עד שניתן להתאים אותם ישירות לשבב. הישג זה יהיה לאפשר להציג יכולת זו לתוך אלה חלקים של מערכות מחשוב מודרניות שהם קומפקטיים ויקרים.

בדרך זו, השבבים יכולים לשנות את אופן פעולתם של מרכזי נתונים על ידי ייעול אופן העברת ועיבוד המידע, משפיע תכנון מרכזי נתונים מהדור הבא ומכשירים רבים אחרים התלויים בתקשורת אופטית יעילה. אותם שבבים יכולים גם לאפשר מערכות LiDAR מתקדמות, התקנים קוונטיים קומפקטיים, שעונים אופטיים מדויקים ביותר וספקטרומטרים ניידים.

"מדובר בהבאת מקורות אור ברמה מעבדתית למכשירים אמיתיים. אם אפשר להפוך אותם לעוצמתיים, יעילים וקטנים מספיק, אפשר למקם אותם כמעט בכל מקום."

- גיל-מולינה

החלק כדי לגלול →

השקעה בטכנולוגיית לייזר

מובילה עולמית בתחום טכנולוגיות הפוטוניקה והלייזר, Coherent Corp. (COHR ) מייצרת דיודות לייזר מוליכים למחצה ורכיבים אופטיים בעלי ביצועים גבוהים.

כאשר עסקי הליבה שלה סובבים סביב פיתוח וייצור פתרונות מבוססי פוטוניקה, שהם קריטיים בעידן של ימינו של מחשוב מתקדם והעברת נתונים, Coherent ביססה את עצמה ככוח דומיננטי בתעשיית התקשורת האופטית ולוקח על עצמו נתח שוק חזק. 

מגזרי החברה כוללים את תחום הרשתות, אשר ממנפת את טכנולוגיית המוליכים למחצה המורכבים שלה כדי לספק רכיבים ותת-מערכות, חומרים כוללים התקנים אופטואלקטרוניים כמו אלה המבוססים על סיליקון קרביד (SiC), גליום אנטימוניד (GaSb), גליום ארסניד (GaAs), אינדיום פוספיד (InP), אבץ סלניד (ZnSe) ואבץ גופרתי (ZnS), ומגזר הלייזרים משרת לקוחות תעשייתיים בתחומי המוליכים למחצה, ייצור מדויק, וחלל וביטחון, ואחרים באמצעות מוצרי הלייזרים והאופטיקה שלה.

Coherent Corp. (COHR )

עם מגוון רחב של מוצרים חדשניים מבוססי פוטוניקה, Coherent מסוגלת להציע פתרונות מותאמים אישית ומקיף ללקוחותיה, כמו גם לשרת את צרכי המדרגיות של תשתית בינה מלאכותית.

המיקוד האסטרטגי שלה בשוק הבינה המלאכותית ממצב את Coherent כבעלת פוטנציאל להרוויח כסף משמעותי מהצמיחה המתמשכת של הבינה המלאכותית. זֶה מהווה תוספת לביקוש הגובר לרכיבים אופטיים בעלי ביצועים גבוהים. אך במקביל, החברה מתמודדת עם אתגרים כתוצאה מתחרות גוברת הן במגזרי הבינה המלאכותית והן במגזרי התקשורת האופטית.

כשמדובר ביצועי השוק של קוהרנט, היא נהנית מרגע של עלייה, יותר כמו שוק המניות הרחב. מניית COHR, עם עלייה של 29.16% עד כה השנה, נסחרת כעת במחיר של 123.70 דולר, נכון לכתיבת שורות אלה - שיא ​​חדש של כל הזמנים (ATH) המעמיד את שווי השוק של החברה על 19.20 מיליארד דולר.

בחודש אפריל, מניית COHR ירדה ל-50 דולר לאחר ששוק המניות חווה תיקון., ומאז אז, מניית קוהרנט עלתה בכ-146%. ורק לפני שנתיים, COHR נסחרה מתחת ל-30 דולר, מה שמייצג התאוששות חזקה.

עם זאת, החברה מציגה רווח למניה (ETM) של -0.62 ומכפיל רווח (ETM) של -198.72.

באשר למצבה הפיננסי של קוהרנט, היא דיווחה על הכנסות שיא של 1.53 מיליארד דולר ברבעון הרביעי שהסתיים ב-30 ביוני 2025. שולי הרווח הגולמי לפי GAAP במהלך התקופה היו 35.7% וההפסד הנקי לפי GAAP היה 0.83 דולר למניה מדוללת, בעוד שעל בסיס שאינו GAAP, שולי הרווח הגולמי שלה היו 38.1% והרווח הנקי למניה מדוללת היה 1.00 דולר.

עבור שנת הכספים 2025 כולה, ההכנסות שלה הסתכמו גם הן בשיא של 5.81 מיליארד דולר. שולי הרווח הגולמי לפי GAAP היו 35.2% וההפסד הנקי לפי GAAP היה 0.52 דולר למניה מדוללת, בעוד ששולי הרווח הגולמי non-GAAP היו 37.9% והרווח הנקי למניה מדוללת היה 3.53 דולר.

לדברי המנכ"ל ג'ים אנדרסון:

"השגנו שנת כספים 2025 חזקה עם צמיחה בהכנסות של 23% וצמיחה של 191% ברווח למניה (non-GAAP). אנו מאמינים שאנו ממוצבים היטב להמשיך ולקדם צמיחה חזקה בהכנסות וברווחים בטווח הארוך, בהתחשב בחשיפה שלנו למניעי צמיחה מרכזיים כמו מרכזי נתונים מבוססי בינה מלאכותית."

במהלך רבעון זה, החברה החלה במשלוחים של מוצרי משדר-מקלט 1.6T שלה, המאפשרים יישומי מרכזי נתונים בעלי ביצועים גבוהים של בינה מלאכותית. כמו כן הוצג חומר מרוכב חדש מ-SiC מבית יהלום לקירור מתקדם של מרכזי נתונים אלה.

יתר על כן, Coherent רשמה את ההכנסות הראשונות שלה מ-Optical Circuit Switch (OCS) והציגה את פלטפורמת לייזר האקסימר אשר היה מְעוּדכָּן לייצור בטמפרטורה גבוהה של סרט מוליך-על עבור אנרגיה מתפתחת טק, כמו היתוך. 

בשבועיים האחרונים, Coherent הוציאה מספר מוצרים חדשים, כולל סדרה שלמה של מעגלים משולבים מרובעים המאפשרים משדרי-מקלט אופטיים יעילים ומהירים יותר עבור בינה מלאכותית וענן, פתרון הלייזר הכפול QSFP28 100G ZR הראשון בתעשייה למקסום הקיבולת בתשתית סיבים קיימת, ולייזרים בעלי גל רציף בהספק גבוה של 400 mW כדי לעמוד בדרישות התובעניות של יישומי אופטיקה משולבת ופוטוניקה של סיליקון.

לאחרונה, Coherent הדגימה את מערכי ה-VCSEL הדו-ממדיים והפוטודיודה (PD) מהדור הבא שלה כדי להתמודד עם הדרישות הגוברות לתעבורת נתונים במרכזי נתונים מודרניים.

לפני שבועיים, קוהרנט נכנסה לתיקונים, הכוללים מימון מחדש של התחייבויות אשראי מתגלגלות קיימות והגדלת סך הקורס ל-700 מיליון דולר., להסכם האשראי שלה עם בנק צ'יי פי מורגן (JPM ) ומלווים אחרים, שיפור הנזילות והגמישות הפיננסית של החברה לתמיכה בפעילות ובצמיחה.

סיכום

אוניברסיטת קולומביה יש עשוי הנדסה הישג, הצגה כיצד רגעים בלתי צפויים במדע יכולים להוביל אפילו גדול וטוב יותר תגליות עם ה- יכולת להגדיר מחדש שדות שלמים. על ידי הפיכת קרן מבולגנת אחת לעשרות ערוצי אור חזקים ויציבים,הצוות הניח את היסודות לדור הבא של מערכות אופטיות.

מ מהפכה ב-LiDAR וצמצום התקנים קוונטיים כדי להגביר את הקיבולת של מרכזי נתונים המונעים על ידי בינה מלאכותית, טכנולוגיה זו מייצגת קפיצת מדרגה משמעותית בשילוב פוטוניקה. וככל שהעולם צועד לעבר מערכות תקשורת מהירות ויעילות יותר באנרגיה, מערכות קומפקטיותשבבי מסרק תדירות יכולים להוות בסיס לתשתית מחשוב עתידית.

לחץ כאן כדי ללמוד הכל על השקעה בבינה מלאכותית.

הפניות

1. גיל-מולינה, א., אנטמן, י., ווסטרייך, א., ואחרים (2025). מיקרו-קומבים בעלי שאיבה חשמלית גבוהה. Nature Photonics, 19(10), 873–879. פורסם ב-7 באוקטובר 2025. https://doi.org/10.1038/s41566-025-01769-z