研究人員展示了一種基于硅的光通信鏈路，該鏈路結(jié)合了兩種多路復(fù)用技術(shù)，創(chuàng)建了40個可以同時移動數(shù)據(jù)的光數(shù)據(jù)通道。這種新的芯片級光互連可以每秒傳輸大約400G數(shù)據(jù)，這可以改善數(shù)據(jù)密集型互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，從視頻流服務(wù)到股票市場等等所有高容量交易。

中佛羅里達大學(xué)光學(xué)與光子學(xué)學(xué)院研究團隊的Peter Delfyett說：“隨著通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸更多信息的需求不斷增長，我們需要新技術(shù)來進一步推動數(shù)據(jù)傳輸速度。由于光互連比電子互連可以傳輸更多的數(shù)據(jù)，我們的工作可以在構(gòu)成互聯(lián)網(wǎng)主干的數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)更好更快的數(shù)據(jù)處理�！�

在《光學(xué)快報》的論文中描述了這種新的光通信鏈路，它通過將基于美國國家標準與技術(shù)研究所NIST開發(fā)的新型光子晶體諧振器的頻率梳光源與斯坦福大學(xué)科學(xué)家設(shè)計的優(yōu)化模分復(fù)用器相結(jié)合，實現(xiàn)了40個通道。每個頻道都可以用來傳送信息，就像不同的立體聲頻道或頻率傳送不同的音樂電臺一樣。

“很明顯，這些新的頻率可以用于完全集成的光互連�！痹撜撐牡牡谝蛔髡咧�一ChinmayShirpurkar說�！八�有光子零件100%都是由硅基材料制成的，這證明了利用低成本、易于制造的光互連制造光信息處理設(shè)備的潛力。除了改善互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸外，這項新技術(shù)還可用于制造速度更快的光學(xué)計算機，以提供人工智能、機器學(xué)習、大規(guī)模仿真和其他應(yīng)用所需的高水平計算能力�！�

使用多個光源尺寸

這項新工作涉及由賓夕法尼亞大學(xué)的Firooz Aflatouni，NIST的Scott B. Papp，斯坦福大學(xué)的Jelena Vuckovic和CREOL的Delfyett領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊。它是DARPA光子學(xué)極端可擴展性封裝（PIPES）計劃的一部分，該計劃旨在利用光來大大改善使用基于微梳的光源的封裝集成電路的數(shù)字連接性。

美國科學(xué)家們在硅基芯片上使用五氧化二鉭Ta2O5波導(dǎo)制作了光鏈路，該硅基片制作成一個在內(nèi)壁上有納米圖案振蕩的環(huán)，由此產(chǎn)生的光子晶體微環(huán)諧振器將激光輸入轉(zhuǎn)換為十種不同的波長。他們還設(shè)計并優(yōu)化了一個模分復(fù)用器，將每個波長轉(zhuǎn)換成四個不同形狀的新光束。添加此空間維度可以使數(shù)據(jù)容量增加四倍，從而創(chuàng)建40個通道。科學(xué)家們設(shè)計并優(yōu)化了一種模分復(fù)用器，將10個波長中的每一個轉(zhuǎn)換成四個不同形狀的新光束。一旦數(shù)據(jù)被編碼到每個光束形狀和每個光束顏色上，光就會被重新組合成單個光束并傳輸?shù)狡淠康牡�。在最終目的地，波長和波束形狀被分離，以便可以獨立地接收和檢測每個信道，而不受其他發(fā)射信道的干擾。

另一位科學(xué)家解釋說：“光子晶體諧振器能夠比傳統(tǒng)環(huán)形諧振器更容易產(chǎn)生孤子和更平坦的梳狀光譜，這些功能有利于光纖數(shù)據(jù)鏈路�！�

通過逆向設(shè)計實現(xiàn)更好的性能

為了優(yōu)化模分復(fù)用器，科學(xué)家們使用了一種稱為光子逆設(shè)計的計算納米光子設(shè)計方法。這種方法提供了一種更有效的方式來探索各種可能的設(shè)計，同時提供更小的占用面積、更好的效率和新的功能。

斯坦福大學(xué)的共同第一作者Kiyoul Yang說：“光子逆向設(shè)計方法使我們的芯片高度可定制，以滿足特定應(yīng)用的需要。”

對新器件的測試與仿真結(jié)果也都非常好，信道的串擾小于-20 dB。接收到的光接收器功率為10 dBm，鏈路使用PRBS31模式在40個信道中的34個信道中都執(zhí)行了無錯誤數(shù)據(jù)傳輸，PRBS31模式是用于測試處于壓力下的高速電路的標準。

科學(xué)家們目前正致力于通過加入光子晶體微環(huán)諧振器（產(chǎn)生更多波長）或使用更復(fù)雜的光束形狀來進一步改進該設(shè)備。這些設(shè)備的商業(yè)化將需要高帶寬、低功耗和小占地面積的發(fā)射機和接收機芯片的完全集成，這將使下一代光互連能夠在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中使用。

本文中使用的光子優(yōu)化軟件的開放源代碼可在GitHub上免費獲得。

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