40通道光通信链路诞生！每秒传输400Gb数据，结合两种多路复用技术

2022-06-20 14:29

通过互联网传输更多信息的需求正持续爆发性增长，利用新的技术来进一步推动数据速率显得尤为关键。众所周知，数据中心的运作方式是在众多的单个处理器和存储库之间高速传输大量信息。以往，用于建立这些连接的互连线可以完全是电的，但如今光通信却能实现更高频率和更低损耗，从而使传输更快、更有效。不过，可惜的地方就在于，光互连目前需要每个数据通道单独的激光器，因此它需要消耗大量的能量。

让人惊喜的是，近日，一个国外联合研究团队展示了一种硅基光通信链路，它结合了两种多路复用技术，可创建40个可同时移动数据的光数据通道。这种新的芯片级光互连可以每秒传输约400Gb的数据，有望大幅改善数据密集型的互联网应用。

模分复用器可将10种波长中的每一种转换成4种不同形状的新光束，从而创造出40通道光通信链路。（图片来源：Stanford University）

在介绍这种新的光通信链路时，研究人员表示它主要是将美国国家标准与技术研究所(NIST)开发的新型光子晶体谐振器的频率梳光源与斯坦福大学研究人员设计的优化模分复用器相结合，从而实现了40个通道并行传输信息。每个频道都可以用来携带信息，就像不同的立体声频道或频率可以对不同的音乐电台进行传输播报那样。

在整个过程中，研究团队使用一个新颖的光子晶体谐振器和一个反向设计的波导结构来实现波分复用和模分复用。

该方案的前半部分包括一个由五氧化钽微米级环制成的频率梳，自由光谱范围为400 GHz。频率梳产生非常短暂的光脉冲，在频域中由大量狭窄的、等间距的“梳齿”组成。

与此同时，斯坦福大学的团队已经设计和建造了一个新的设备来进行模分多路复用。该设备通过将来自四个500 nm单模波导的光在一个1800 nm宽的波导中复用到多模光(电场的多个正交方向)来创建多个数据通道，然后在输出端将其解复用回单模波导。这四个信道中的每一个单独包含所有通过波分复用创建的信道。

据介绍，研究人员通过在绝缘体上220nm厚的硅层上刻蚀非常精确的图案来制造多路复用器和解路复用器。他们使用一种反设计，包括迭代计算梯度来匹配器件结构和期望输出，从而计算出这些非直观的介电常数分布——允许他们在保持较小效率的同时最大化器件的效率。

为了同时演示这两种设备，研究人员利用了连续波激光器泵浦频率梳，只选择10个产生的频率通道，并将它们集中到两组，以演示使用一对工作在10Gbit/s的强度调制器同时编码。结合两个数据通道(同时在它们之间引入延迟)，将它们放大并将功率分成四个不同的输出，然后将信号通过模分复用器和解复用器，然后用一个光接收机和两个放大器测量输出。

研究人员使用分析仪来测量出错的频率。经观测发现，在40个频道中，有34个频道的传输比特的错误值不到万亿分之一(10¹²)，其余6个通道错误率则高达100亿分之一。因此，这种光通信链路的总体传输速率为400Gbit/s，无错传输速率为340Gbit/s。

这项新工作由宾夕法尼亚大学的Firooz Aflatouni、NIST的Scott B. Papp、斯坦福大学的Jelena Vuckovic和中佛罗里达大学光学与光子学(CREOL)的Delfyett领导的研究团队共同完成。它是DARPA光子学项目“极端可扩展性包”(PIPES)的一部分，该项目旨在利用光极大地改善封装集成电路的数字连接，使用基于微梳的光源。

除了改善互联网数据传输，这项新技术还可以用于制造更快的光学计算机，为人工智能、机器学习、大规模仿真和其他应用提供高水平的计算能力。