"Поскольку требования к передаче большего количества информации через Интернет продолжают расти, нам нужны новые технологии для дальнейшего повышения скорости передачи данных", - сказал Питер Дельфьетт, возглавлявший 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 лучшую и более быструю обработку данных в центрах обработки данных, которые формируют основу Интернета".

Многоинституциональная группа исследователей описывает новую оптическую линию связи в журнале Optica Publishing Group. Буквы оптики. Он обеспечивает 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 режимов, разработанным исследователями из Стэнфордского университета. Каждый канал может использоваться для передачи информации подобно тому, как разные стереоканалы или частоты передают разные музыкальные станции.

"Мы показываем, что эти новые частотные гребенки могут быть использованы в полностью интегрированных оптических соединениях", - 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, простых в изготовлении оптических межсоединений".

В дополнение к улучшению передачи данных через Интернет, новая технология также может быть использована для создания более быстрых оптических компьютеров, которые могли бы обеспечить высокий уровень вычислительной мощности, необходимый для искусственного интеллекта, машинного обучения, крупномасштабной эмуляции и других приложений.

Использование нескольких световых измерений

В новой работе приняли участие исследовательские группы во главе с Фирузом Афлатуни из Пенсильванского университета, Скоттом Б. Паппом из NIST, Еленой Вучкович из Стэнфордского университета и Делфиеттом из CREOL. Это часть 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 микрокомпьютеров.

Исследователи создали оптическую связь с использованием пятиокиси тантала (Ta₂O₅) волноводы на кремниевой подложке, выполненные в виде кольца с нанопаттернированным колебанием на внутренней стенке. Полученный в результате фотонно-кристаллический микро-кольцевой резонатор преобразует входной сигнал лазера 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 в четыре раза увеличить пропускную способность передачи данных, создавая 40 каналов.

Как только данные закодированы для каждой формы луча и каждого цвета луча, свет рекомбинируется обратно в единый луч и передается по назначению. В конечном пункте назначения длины волн и формы лучей разделяются таким образом, чтобы каждый канал мог приниматься и обнаруживаться независимо, без помех от других передаваемых каналов.

"Преимущество нашей связи заключается в том, что фотонно-кристаллический резонатор обеспечивает более легкую генерацию солитонов и более плоский гребенчатый спектр, чем у обычных кольцевых резонаторов", - сказал соавтор исследования Цзичжао Занг из NIST. "Эти функции полезны для оптических каналов передачи данных".

Улучшенная производительность благодаря обратному дизайну

Чтобы оптимизировать мультиплексор с разделением режимов, исследователи использовали вычислительный нанофотонный подход к проектированию, называемый фотонным обратным проектированием. Этот метод обеспечивает более эффективный способ изучения всего спектра возможных конструкций, предлагая при этом меньшие габариты, более высокую эффективность и новые функциональные возможности.

"Фотонный подход к обратному проектированию делает нашу ссылку легко настраиваемой для удовлетворения потребностей конкретных приложений", - сказал соавтор Киюл Янг из Стэнфордского университета.

Тесты нового устройства хорошо совпали с моделированием и показали, что каналы демонстрируют низкие перекрестные помехи менее -20 дБ. Используя меньше, чем ?При мощности принимаемого оптического приемника 10 дБм канал связи осуществлял безошибочную передачу данных в 34 из 40 каналов, используя шаблон PRBS31, стандарт, используемый для тестирования высокоскоростных цепей под напряжением.

В настоящее время исследователи работают над дальнейшим совершенствованием устройства, включив в него фотонно-кристаллические микро-кольцевые резонаторы, которые генерируют больше длин волн, или используя более сложные формы пучка. Коммерциализация этих устройств потребовала бы полной интеграции чипа передатчика и приемника с высокой пропускной способностью, низким энергопотреблением и небольшими размерами. Это могло бы обеспечить следующее поколение оптических межсоединений для использования в сетях центров обработки данных.

Открытый исходный код программного обеспечения для фотонной оптимизации, используемого в статье, доступен по адресу https://github.com/stanfordnqp/spins-b.