Forskare har visat en kiselbaserad optisk kommunikationslänk som kombinerar två multiplexeringsteknologier för att skapa 40 optiska datakanaler som samtidigt kan flytta data. Den nya optiska sammankopplingen i chipskala kan överföra cirka 400 GB data per sekund – motsvarande cirka 100 000 strömmande filmer. Detta kan förbättra dataintensiva internetapplikationer från videostreamingtjänster till högkapacitetstransaktioner för aktiemarknaden.

"Eftersom kraven på att flytta mer information över internet fortsätter att växa, behöver vi ny teknik för att driva datahastigheterna ytterligare", säger Peter Delfyett, som ledde University of Central Florida College of Optics and Photonics (CREOL) forskargrupp. "Eftersom optiska sammankopplingar kan flytta mer data än sina elektroniska motsvarigheter, kan vårt arbete möjliggöra bättre och snabbare databehandling i de datacenter som utgör ryggraden i internet."

En multiinstitutionell grupp av forskare beskriver den nya optiska kommunikationslänken i Optics Letters . Den uppnår 40 kanaler genom att kombinera en frekvenskamljuskälla baserad på en ny fotonisk kristallresonator utvecklad av National Institute of Standards and Technology (NIST) med en optimerad mode-division multiplexer designad av forskarna vid Stanford University. Varje kanal kan användas för att överföra information ungefär som olika stereokanaler, eller frekvenser, sänder olika musikstationer.

"Vi visar att dessa nya frekvenskammar kan användas i helt integrerade optiska sammankopplingar", säger Chinmay Shirpurkar, medförfattare till tidningen. "Alla fotoniska komponenter tillverkades av kiselbaserat material, vilket visar potentialen för att göra optiska informationshanteringsenheter från billiga, lätttillverkade optiska sammankopplingar."

Förutom att förbättra internetdataöverföringen kan den nya tekniken också användas för att göra snabbare optiska datorer som kan ge de höga nivåerna av datorkraft som behövs för artificiell intelligens, maskininlärning, storskalig emulering och andra applikationer.

Använder flera ljusdimensioner

Det nya arbetet involverade forskarlag ledda av Firooz Aflatouni från University of Pennsylvania, Scott B. Papp från NIST, Jelena Vuckovic från Stanford University och Delfyett från CREOL. Det är en del av DARPA Photonics i programmet Package for Extreme Scalability (PIPES), som syftar till att använda ljus för att avsevärt förbättra den digitala anslutningen för förpackade integrerade kretsar med mikrokambaserade ljuskällor.

Forskarna skapade den optiska länken med tantalpentoxid (Ta₂ O₅ ) vågledare på ett kiselsubstrat tillverkat till en ring med en nanopönstrad oscillation på innerväggen. Den resulterande fotoniska kristallmikroringsresonatorn förvandlar en laseringång till tio olika våglängder. De designade och optimerade också en mode-division multiplexer som omvandlar varje våglängd till fyra nya strålar som var och en har olika former. Att lägga till denna rumsliga dimension möjliggör en fyrfaldig ökning av datakapaciteten, vilket skapar de 40 kanalerna.

När data är kodade på varje strålform och varje strålfärg, kombineras ljuset tillbaka till en enda stråle och sänds till sin destination. Vid slutdestinationen separeras våglängderna och strålformerna så att varje kanal kan tas emot och detekteras oberoende, utan störningar från de andra sända kanalerna.

"En fördel med vår länk är att den fotoniska kristallresonatorn möjliggör enklare solitongenerering och ett plattare kamspektrum än de som demonstrerats med konventionella ringresonatorer", säger den första författaren Jizhao Zang från NIST. "Dessa funktioner är fördelaktiga för optiska datalänkar."

Bättre prestanda med omvänd design

För att optimera lägesdelningsmultiplexern använde forskarna en beräkningsmetod för nanofotonisk design som kallas fotonisk inversdesign. Den här metoden ger ett mer effektivt sätt att utforska en hel rad möjliga design samtidigt som den erbjuder mindre fotavtryck, bättre effektivitet och nya funktioner.

"Den fotoniska omvända designmetoden gör vår länk mycket anpassningsbar för att möta behoven hos specifika applikationer", säger medförfattaren Kiyoul Yang från Stanford University.

Tester av den nya enheten stämde väl med simuleringar och visade att kanalerna uppvisade en låg överhörning på mindre än -20 dB. Med mindre än −10 dBm mottagen optisk mottagareffekt utförde länken felfri dataöverföring i 34 av de 40 kanalerna med ett PRBS31-mönster, en standard som används för att testa höghastighetskretsar under stress.

Forskarna arbetar nu för att ytterligare förbättra enheten genom att införliva fotoniska kristallmikro-ringresonatorer som producerar fler våglängder eller genom att använda mer komplexa strålformer. Kommersialisering av dessa enheter skulle kräva full integration av ett sändar- och mottagarchip med hög bandbredd, låg strömförbrukning och ett litet fotavtryck. Detta kan möjliggöra nästa generation av optiska sammankopplingar för användning i datacenternätverk.

Öppen källkod för fotonisk optimeringsprogramvara som används i tidningen är tillgänglig på GitHub. + Utforska vidare

Nya polymermaterial gör det enklare att tillverka optiska sammankopplingar