Forskere demonstrerer 40-kanals optisk kommunikationslink, der er i stand til at transmittere 400 GB data pr. sekund

Forskere har demonstreret en siliciumbaseret optisk kommunikationsforbindelse, der kombinerer to multiplekseringsteknologier for at skabe 40 optiske datakanaler, der samtidigt kan flytte data. Den nye optiske sammenkobling i chipskala kan transmittere omkring 400 GB data i sekundet - hvad der svarer til omkring 100.000 streamingfilm. Dette kan forbedre dataintensive internetapplikationer fra videostreamingtjenester til transaktioner med høj kapacitet til aktiemarkedet.

"Efterhånden som kravene om at flytte mere information på tværs af internettet fortsætter med at vokse, har vi brug for nye teknologier til at presse datahastigheder yderligere," sagde Peter Delfyett, der ledede University of Central Florida College of Optics and Photonics (CREOL) forskningsteam. "Fordi optiske sammenkoblinger kan flytte flere data end deres elektroniske modstykker, kunne vores arbejde muliggøre bedre og hurtigere databehandling i de datacentre, der udgør rygraden i internettet."

En multi-institutionel gruppe af forskere beskriver det nye optiske kommunikationslink i Optics Letters . Den opnår 40 kanaler ved at kombinere en frekvenskam lyskilde baseret på en ny fotonisk krystalresonator udviklet af National Institute of Standards and Technology (NIST) med en optimeret mode-division multiplexer designet af forskerne ved Stanford University. Hver kanal kan bruges til at bære information ligesom forskellige stereokanaler eller frekvenser, der sender forskellige musikstationer.

"Vi viser, at disse nye frekvenskamme kan bruges i fuldt integrerede optiske forbindelser," sagde Chinmay Shirpurkar, medførsteforfatter af papiret. "Alle de fotoniske komponenter blev lavet af siliciumbaseret materiale, hvilket demonstrerer potentialet for at fremstille optiske informationshåndteringsenheder fra billige optiske forbindelser, der er nemme at fremstille."

Ud over at forbedre internetdatatransmissionen kan den nye teknologi også bruges til at lave hurtigere optiske computere, der kan levere de høje niveauer af computerkraft, der er nødvendige for kunstig intelligens, maskinlæring, emulering i stor skala og andre applikationer.

Brug af flere lysdimensioner

Det nye arbejde involverede forskerhold ledet af Firooz Aflatouni fra University of Pennsylvania, Scott B. Papp fra NIST, Jelena Vuckovic fra Stanford University og Delfyett fra CREOL. Det er en del af DARPA Photonics i programmet Package for Extreme Scalability (PIPES), som har til formål at bruge lys til at forbedre den digitale forbindelse i pakkede integrerede kredsløb i høj grad ved hjælp af mikrokambaserede lyskilder.

Forskerne skabte det optiske link ved hjælp af tantalpentoxid (Ta₂ O₅ ) bølgeledere på et siliciumsubstrat fremstillet til en ring med en nanomønstret oscillation på indervæggen. Den resulterende fotoniske krystal mikroringresonator omdanner en laserinput til ti forskellige bølgelængder. De har også designet og optimeret en mode-division multiplexer, der transformerer hver bølgelængde til fire nye stråler, der hver har forskellige former. Tilføjelse af denne rumlige dimension muliggør en firedobling af datakapaciteten, hvilket skaber de 40 kanaler.

Når dataene er indkodet på hver stråleform og hver strålefarve, kombineres lyset tilbage til en enkelt stråle og transmitteres til sin destination. Ved den endelige destination er bølgelængderne og stråleformerne adskilt, så hver kanal kan modtages og detekteres uafhængigt uden interferens fra de andre transmitterede kanaler.

"En fordel ved vores link er, at den fotoniske krystalresonator muliggør lettere solitongenerering og et fladere kamspektrum end dem, der er demonstreret med konventionelle ringresonatorer," sagde den første forfatter Jizhao Zang fra NIST. "Disse funktioner er gavnlige for optiske datalinks."

Bedre ydeevne med omvendt design

For at optimere tilstandsdelingsmultiplekseren brugte forskerne en beregningsmæssig nanofotonisk designtilgang kaldet fotonisk omvendt design. Denne metode giver en mere effektiv måde at udforske en hel række af mulige designs, samtidig med at den tilbyder mindre fodspor, bedre effektivitet og nye funktionaliteter.

"Den fotoniske omvendte designtilgang gør vores link meget tilpasseligt til at opfylde behovene for specifikke applikationer," sagde medforfatter Kiyoul Yang fra Stanford University.

Test af den nye enhed matchede godt med simuleringer og viste, at kanalerne udviste en lav krydstale på mindre end -20 dB. Ved at bruge mindre end -10 dBm modtaget optisk modtagereffekt udførte linket fejlfri datatransmission i 34 ud af de 40 kanaler ved hjælp af et PRBS31-mønster, en standard, der bruges til at teste højhastighedskredsløb under stress.

Forskerne arbejder nu på at forbedre enheden yderligere ved at inkorporere fotoniske krystal mikroringresonatorer, der producerer flere bølgelængder eller ved at bruge mere komplekse stråleformer. Kommercialisering af disse enheder ville kræve fuld integration af en sender- og modtagerchip med høj båndbredde, lavt strømforbrug og et lille fodaftryk. Dette kunne muliggøre den næste generation af optiske sammenkoblinger til brug i datacenternetværk.

Open source-kode til den fotoniske optimeringssoftware, der bruges i papiret, er tilgængelig på GitHub. + Udforsk yderligere

Nye polymermaterialer gør det nemmere at fremstille optiske forbindelser