Продемонстрирован 40-канальный оптический канал связи, способный передавать 400 ГБ данных в секунду
Исследователи продемонстрировали оптическую линию связи на основе кремния, которая объединяет две технологии мультиплексирования для создания 40 оптических каналов данных, которые могут одновременно передавать данные. Новое оптическое соединение в масштабе чипа может передавать около 400 ГБ данных в секунду, что эквивалентно примерно 100 000 потоковых фильмов. Это может улучшить работу интернет-приложений, требующих большого объема данных, от сервисов потокового видео до транзакций с высокой пропускной способностью на фондовом рынке.
Исследователи продемонстрировали оптическую линию связи на основе кремния, которая объединяет две технологии мультиплексирования для создания 40 оптических каналов передачи данных. Кольцеобразный резонатор на фотонном кристалле (слева) имеет внутри наноструктуру (справа), которая расщепляет выбранную резонансную моду для генерации гребенки. Изображения, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии. Авторы и права: Су-Пэн Ю, NIST
«Поскольку потребность в передаче большего количества информации через Интернет продолжает расти, нам нужны новые технологии для дальнейшего увеличения скорости передачи данных», — сказал Питер Дельфьетт, который возглавлял исследовательскую группу Колледжа оптики и фотоники Университета Центральной Флориды (CREOL). «Поскольку оптические межсоединения могут передавать больше данных, чем их электронные аналоги, наша работа может обеспечить более качественную и быструю обработку данных в центрах обработки данных, которые составляют основу Интернета».
Многопрофильная группа исследователей описывает новый канал оптической связи в Optics Letters. Он достигает 40 каналов за счет объединения источника света с частотной гребенкой на основе нового фотонно-кристаллического резонатора, разработанного Национальным институтом стандартов и технологий (NIST), с оптимизированным мультиплексором с разделением мод, разработанным исследователями из Стэнфордского университета. Каждый канал может использоваться для передачи информации, подобно различным стереоканалам или частотам, передающим разные музыкальные станции.
«Мы показываем, что эти новые частотные гребенки можно использовать в полностью интегрированных оптических межсоединениях», — сказал Чинмай Ширпуркар, соавтор статьи. «Все фотонные компоненты были изготовлены из материала на основе кремния, что демонстрирует потенциал создания оптических устройств обработки информации из недорогих и простых в производстве оптических межсоединений».
Помимо улучшения передачи данных через Интернет, новую технологию также можно использовать для создания более быстрых оптических компьютеров, которые могли бы обеспечить высокий уровень вычислительной мощности, необходимой для искусственного интеллекта, машинного обучения, крупномасштабной эмуляции и других приложений.
Использование нескольких измерений света
В новой работе участвовали исследовательские группы во главе с Фирузом Афлатуни из Пенсильванского университета, Скоттом Б. Паппом из Национального института стандартов и технологий, Еленой Вукович из Стэнфордского университета и Делфиеттом из CREOL. Он является частью программы DARPA Photonics in the Package for Extreme Scalability (PIPES), целью которой является использование света для значительного улучшения цифровой связи упакованных интегральных схем с использованием источников света на основе микросот.
Исследователи создали оптическую связь, используя волноводы из пятиокиси тантала (Ta 2 O 5 ) на кремниевой подложке, изготовленной в виде кольца с наноструктурным колебанием на внутренней стенке. Полученный микрокольцевой резонатор на фотонном кристалле преобразует лазерный вход в десять различных длин волн. Они также разработали и оптимизировали мультиплексор с разделением мод, который преобразует каждую длину волны в четыре новых луча, каждый из которых имеет разную форму. Добавление этого пространственного измерения позволяет увеличить емкость данных в четыре раза, создав 40 каналов.
Исследователи разработали и оптимизировали мультиплексор с разделением мод, который преобразует каждую из 10 длин волн в четыре новых луча, каждый из которых имеет разную форму. Это четырехкратное увеличение емкости данных создает 40 каналов. Авторы и права: Киюль Ян, Стэнфордский университет.
Как только данные закодированы в каждую форму луча и каждый цвет луча, свет рекомбинируется обратно в один луч и передается к месту назначения. В конечном пункте назначения длины волн и формы луча разделяются, чтобы каждый канал можно было принимать и обнаруживать независимо, без помех от других передаваемых каналов.
«Преимущество нашей связи заключается в том, что резонатор на фотонном кристалле обеспечивает более простую генерацию солитонов и более плоский гребенчатый спектр, чем те, которые демонстрируются с обычными кольцевыми резонаторами», — сказал соавтор Цзижао Занг из NIST. «Эти функции полезны для оптических каналов передачи данных».
Лучшая производительность с инверсным дизайном
Чтобы оптимизировать мультиплексор с разделением мод, исследователи использовали вычислительный подход к нанофотонному дизайну, называемый фотонным обратным дизайном. Этот метод обеспечивает более эффективный способ изучения всего спектра возможных конструкций, предлагая при этом меньшие габариты, более высокую эффективность и новые функциональные возможности.
«Подход фотонного обратного проектирования делает нашу связь гибко настраиваемой для удовлетворения потребностей конкретных приложений», — сказал соавтор Киюл Янг из Стэнфордского университета.
Испытания нового устройства хорошо совпали с моделированием и показали, что каналы демонстрируют низкий уровень перекрестных помех менее -20 дБ. Используя мощность принимаемого оптического приемника менее −10 дБм, линия связи обеспечивала безошибочную передачу данных в 34 из 40 каналов с использованием шаблона PRBS31 — стандарта, используемого для тестирования высокоскоростных цепей в условиях нагрузки.
В настоящее время исследователи работают над дальнейшим усовершенствованием устройства, включив микрокольцевые резонаторы на фотонных кристаллах, которые производят больше длин волн или используя более сложные формы луча. Коммерциализация этих устройств потребует полной интеграции чипа передатчика и приемника с высокой пропускной способностью, низким энергопотреблением и небольшими размерами. Это может позволить оптические межсоединения следующего поколения для использования в сетях центров обработки данных.
Открытый исходный код программного обеспечения для фотонной оптимизации, используемого в статье, доступен на GitHub.
