Onderzoekers hebben een op silicium gebaseerde optische communicatieverbinding gedemonstreerd die twee multiplextechnologieën combineert om 40 optische gegevenskanalen te creëren die tegelijkertijd gegevens kunnen verplaatsen. De nieuwe optische interconnect op chipschaal kan ongeveer 400 GB aan gegevens per seconde verzenden - het equivalent van ongeveer 100.000 streaming films. Dit zou data-intensieve internettoepassingen kunnen verbeteren, van videostreamingdiensten tot transacties met hoge capaciteit voor de aandelenmarkt.

"Omdat de vraag om meer informatie over het internet te verplaatsen blijft groeien, hebben we nieuwe technologieën nodig om de datasnelheden verder te verhogen", zegt Peter Delfyett, die leiding gaf aan het onderzoeksteam van het University of Central Florida College of Optics and Photonics (CREOL). "Omdat optische interconnects meer gegevens kunnen verplaatsen dan hun elektronische tegenhangers, zou ons werk een betere en snellere gegevensverwerking mogelijk kunnen maken in de datacenters die de ruggengraat van internet vormen."

Een multi-institutionele groep onderzoekers beschrijft de nieuwe optische communicatieverbinding in Optics Letters . Het bereikt 40 kanalen door een frequentiekamlichtbron te combineren op basis van een nieuwe fotonische kristalresonator ontwikkeld door het National Institute of Standards and Technology (NIST) met een geoptimaliseerde modusverdelingsmultiplexer ontworpen door de onderzoekers van Stanford University. Elk kanaal kan worden gebruikt om informatie over te dragen, net zoals verschillende stereokanalen, of frequenties, verschillende muziekstations uitzenden.

"We laten zien dat deze nieuwe frequentiekammen kunnen worden gebruikt in volledig geïntegreerde optische verbindingen", zegt Chinmay Shirpurkar, co-eerste auteur van het artikel. "Alle fotonische componenten zijn gemaakt van materiaal op basis van silicium, wat het potentieel aantoont om optische informatieverwerkingsapparatuur te maken van goedkope, eenvoudig te vervaardigen optische verbindingen."

Naast het verbeteren van de internetgegevensoverdracht, kan de nieuwe technologie ook worden gebruikt om snellere optische computers te maken die de hoge rekenkracht kunnen leveren die nodig is voor kunstmatige intelligentie, machine learning, grootschalige emulatie en andere toepassingen.

Meerdere lichtdimensies gebruiken

Het nieuwe werk omvatte onderzoeksteams onder leiding van Firooz Aflatouni van de Universiteit van Pennsylvania, Scott B. Papp van NIST, Jelena Vuckovic van Stanford University en Delfyett van CREOL. Het maakt deel uit van het DARPA Photonics in the Package for Extreme Scalability (PIPES)-programma, dat tot doel heeft licht te gebruiken om de digitale connectiviteit van verpakte geïntegreerde schakelingen met behulp van op microkammen gebaseerde lichtbronnen enorm te verbeteren.

De onderzoekers maakten de optische link met behulp van tantaalpentoxide (Ta₂ O₅ ) golfgeleiders op een siliciumsubstraat gefabriceerd tot een ring met een oscillatie met nanopatroon op de binnenwand. De resulterende fotonische kristalmicroringresonator zet een laserinvoer om in tien verschillende golflengten. Ze ontwierpen en optimaliseerden ook een multiplexer met modusverdeling die elke golflengte omzet in vier nieuwe bundels die elk een andere vorm hebben. Door deze ruimtelijke dimensie toe te voegen, kan de datacapaciteit verviervoudigd worden, waardoor de 40 kanalen ontstaan.

Zodra de gegevens zijn gecodeerd op elke straalvorm en elke straalkleur, wordt het licht opnieuw gecombineerd tot een enkele straal en verzonden naar zijn bestemming. Op de eindbestemming worden de golflengten en bundelvormen gescheiden, zodat elk kanaal onafhankelijk kan worden ontvangen en gedetecteerd, zonder interferentie van de andere uitgezonden kanalen.

"Een voordeel van onze link is dat de fotonische kristalresonator eenvoudiger solitongeneratie en een vlakker kamspectrum mogelijk maakt dan die welke worden aangetoond met conventionele ringresonatoren", zegt co-eerste auteur Jizhao Zang van NIST. "Deze functies zijn gunstig voor optische datalinks."

Betere prestaties met omgekeerd ontwerp

Om de multiplexer met modusverdeling te optimaliseren, gebruikten de onderzoekers een computationele nanofotonische ontwerpbenadering genaamd fotonisch inverse-ontwerp. Deze methode biedt een efficiëntere manier om een ​​volledig scala aan mogelijke ontwerpen te verkennen en biedt tegelijkertijd kleinere footprints, betere efficiëntie en nieuwe functionaliteiten.

"De fotonische inverse-ontwerpbenadering maakt onze link zeer aanpasbaar om te voldoen aan de behoeften van specifieke toepassingen", zegt co-eerste auteur Kiyoul Yang van Stanford University.

Tests van het nieuwe apparaat kwamen goed overeen met simulaties en toonden aan dat de kanalen een lage overspraak vertoonden van minder dan -20 dB. Met minder dan −10 dBm ontvangen optische ontvangervermogen, voerde de link foutloze gegevensoverdracht uit in 34 van de 40 kanalen met behulp van een PRBS31-patroon, een standaard die wordt gebruikt om hogesnelheidscircuits onder stress te testen.

De onderzoekers werken nu aan het verder verbeteren van het apparaat door fotonische kristalmicroringresonatoren op te nemen die meer golflengten produceren of door complexere bundelvormen te gebruiken. Het commercialiseren van deze apparaten zou de volledige integratie van een zender- en ontvangerchip met een hoge bandbreedte, een laag stroomverbruik en een kleine footprint vereisen. Dit kan de volgende generatie optische verbindingen mogelijk maken voor gebruik in datacenternetwerken.

Open-sourcecode voor de fotonische optimalisatiesoftware die in de paper wordt gebruikt, is beschikbaar op GitHub. + Verder verkennen

Nieuwe polymeermaterialen maken het vervaardigen van optische verbindingen eenvoudiger