Met de toenemende populariteit van datacenters en andere bandbreedte-hongerige interconnect-applicaties, de huidige bandbreedtegroei van optische netwerken op korte afstand vereist datatransmissiesnelheden van meer dan 100 Gb/s, pleit voor de ontwikkeling van energiezuinige, meerkanaals optische verbindingen met hoge gegevensoverdrachtsnelheden.

Gebaseerd op complementaire metaaloxide-halfgeleidertechnologie (COMS) - een standaard goedkope, hoogvolume chipproductietechniek die tegenwoordig voor de meeste processors en chips wordt gebruikt - een groep onderzoekers van IBM Research in Zürich, Zwitserland, samen met een consortium dat werkt in het kader van het door de EU gefinancierde project "ADDAPT, " hebben een nieuwe optische ontvanger (RX) gedemonstreerd die een totale bandbreedte van 160 Gb/s kan bereiken via vier optische vezels. Dit is niet alleen de snelste datatransmissiesnelheid tot nu toe, maar de nieuw ontwikkelde optische ontvanger beschikt ook over de link power-on/off-functionaliteit en kan in acht nanoseconden wakker worden en phase-lock bereiken, de kortste schakeltijd ooit. Zij presenteren hun innovatie op OFC 2018, 11-15 maart, San Diego, Californië.

Volgens de onderzoekers is de snelle aan/uit-functie zal het gebruik van de link verbeteren en het energieverbruik op een chip of in een optisch interconnectiesysteem aanzienlijk verminderen. In tegenstelling tot veel commerciële optische transceivers die altijd zijn ingeschakeld, ongeacht de transmissieactiviteit, de stroom zou hier alleen worden gebruikt wanneer datapakketten via de optische link worden verzonden. Het nieuwe ontwerp, verpakt met een fotodiode-array van 850 nanometer, richt zich op goedkope VCSEL-gebaseerde optische links voor datacenter-interconnects.

"Dit is de eerste optische ontvanger die een hoge datatransmissiesnelheid combineert met snelle in- en uitschakelfunctionaliteit, terwijl hij extreem laag is in de 'power-on'-status (ongeveer 88 miliwatt), " zei Alessandro Cevrero, de primaire auteur van het artikel en een wetenschapper van IBM Research Lab, Zwitserland. Vandaag, linkgebruik in datacenters is minder dan tien procent voor 99 procent van de links. Dit betekent dat slechts tien procent van de werktijd van de links daadwerkelijk wordt gebruikt voor het verzenden van gebruikersgegevens, terwijl de rest van de tijd wordt verspild aan het verzenden van inactieve datapakketten die ontbrekende informatie bevatten. Om de energie-efficiëntie in het optische interconnectiesysteem te verbeteren, de onderzoekers ontwikkelden de snelle aan/uit-functionaliteit voor de ontvanger, zodat koppelingen kunnen worden uitgeschakeld tijdens inactiviteit en weer kunnen worden ingeschakeld wanneer de gegevens klaar zijn om te worden verzonden.

"Ons ontwerp, Voor de eerste keer, maakt het aan/uit schakelen van en optische verbinding per pakket mogelijk, " zei Cevrero. De inschakeltijd is slechts acht nanoseconden, wat korter is dan de gemiddelde tijdsduur voor een individueel datapakket in een typisch netwerkprotocol dat wordt verzonden met een snelheid van 160 Gb/s. "Er waren eerdere wetenschappelijke pogingen om de links uit te schakelen als er geen gegevens zijn, de tijdspanne om de link in en uit te schakelen was echter orden van grootte langer dan die van een individueel datapakket. Om een ​​kortere inschakelduur te bereiken, tijd met een zeer hoge datatransmissiesnelheid is de belangrijkste uitdaging."

Dit behandelen, Het team van Cevrero ontwierp een optische ontvanger met vier identieke kanalen die zijn gekoppeld aan een voorgesteld verbindingsprotocol. Het linkprotocol is uitgerust met zelfontwikkelde slimme analoge schakelingen die de klok van de ontvanger snel kunnen afstemmen op de aankomst van de binnenkomende data, en detecteert de optische signaalsequenties om het linksysteem snel in en uit te schakelen.

De onderzoekers testten de ontvanger vervolgens met 40 Gb/s seconde met een referentiezender bestaande uit een Mach-Zehnder-modulator van 850 nanometer gevolgd door een variabele optische verzwakker. Ze voerden ook aan/uit-experimenten uit door een optisch signaal te genereren dat het voorgestelde linkprotocol implementeerde. Als resultaat, ze observeerden een correcte power cycling over een 109 power cycle, en dat de ontvanger foutloos werkt bij 40 Gb/s seconde en 160 Gb/s geaggregeerde bandbreedte over multi-mode vezels oplevert. De experimentele gegevens toonden ook aan dat tien procent linkgebruik overeenkomt met 85 procent energiebesparing op de ontvanger.

Cevrero merkte op dat het verbeteren van de energie-efficiëntie van optische verbindingen wetenschappers in staat stelt aanzienlijk sneller te bouwen, computersystemen met hogere prestaties, aangezien men hogere bandbreedte kan "proppen" in hetzelfde thermische budget van het pakket. Besparing op energieverbruik helpt ook de uitstoot van kooldioxide door het optische netwerk te verminderen, leiden tot groenere optische communicatiesystemen.

De volgende stap van de onderzoekers, Cevrero zei, is het valideren van een compleet optisch interconnectiesysteem door de optische zender te meten, en om de datatransmissiesnelheid aan de ontvangerzijde te verhogen tot 56 Gb/s per kanaal.