6月10日消息， 近日，研究人员展示了一种基于硅的光通信链路，它结合了两种复用技术，创建了 40 个可以同时移动数据的光数据通道。新的芯片级光学互连每秒可以传输大约 400 GB 的数据，相当于大约 100,000 部流媒体电影。这可以改善数据密集型互联网应用程序，从视频流服务到股票市场的大容量交易。

环形光子晶体谐振器（左）在内部（右）具有纳米图案，可将选定的谐振模式分开以生成梳状。用扫描电子显微镜拍摄的图像。图片来源：NIST 于 Su-Peng Yu

“随着通过互联网传输更多信息的需求不断增长，我们需要新技术来进一步推动数据速率，”中佛罗里达大学光学与光子学院 (CREOL) 研究团队的负责人 Peter Delfyett 说：“由于光学互连可以比电子互连传输更多的数据，我们的工作可以在构成互联网骨干的数据中心实现更好、更快的数据处理。”

一个多机构研究小组在Optics Letters中描述了新的光通信链路。它通过将基于美国国家标准与技术研究院 (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，实现了 40 个通道。每个通道都可以用来传输信息，就像不同的立体声通道或频率一样，传输不同的音乐电台。

所有的光子元件都是由硅基材料制成的，这证明了用低成本、易于制造的光学互连制造光学信息处理设备的潜力。

除了改善互联网数据传输外，这项新技术还可用于制造速度更快的光学计算机，为人工智能、机器学习、大规模仿真和其他应用提供所需的高水平计算能力。

使用多个灯光维度

这项新工作涉及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 CREOL 的 Delfyett 领导的研究团队。它是 DARPA Photonics in the Package for Extreme Scalability (PIPES) 计划的一部分，该计划旨在利用光来极大地改善使用基于微梳的光源的封装集成电路的数字连接性。

研究人员在硅衬底上使用五氧化二钽 (Ta 2 O 5 ) 波导创建了光学链路，该硅衬底被制成内壁带有纳米图案振荡的环。由此产生的光子晶体微环谐振器将激光输入变成十种不同的波长。他们还设计并优化了模分复用器，将每个波长转换成四个新光束，每个光束具有不同的形状。添加此空间维度可将数据容量增加四倍，从而创建 40 个通道。

研究人员设计并优化了一个模分复用器，将 10 个波长中的每一个转换成四个新光束，每个光束具有不同的形状。图片来源：斯坦福大学 Kiyoul Yang

一旦数据被编码到每个光束形状和每个光束颜色上，光线就会重新组合成单个光束并传输到其目的地。在最终目的地，波长和光束形状被分开，以便每个通道可以独立接收和检测，而不会受到其他传输通道的干扰。

NIST 的共同第一作者 Jizhao Zang 说：“我们的链接的一个优势是光子晶体谐振器比传统环形谐振器更容易产生孤子和更平坦的梳状光谱。这些特性有利于光学数据链路。”

逆向设计带来更好的性能

为了优化模分复用器，研究人员使用了一种称为光子逆设计的计算纳米光子设计方法。这种方法提供了一种更有效的方式来探索各种可能的设计，同时提供更小的占地面积、更高的效率和新的功能。

“光子逆向设计方法使我们的链接高度可定制，以满足特定应用的需求，”斯坦福大学的共同第一作者 Kiyoul Yang 说。

新设备的测试与模拟结果非常吻合，显示通道的串扰低于 -20 dB。该链路使用小于 -10 dBm 的接收光接收器功率，使用 PRBS31 模式在 40 个通道中的 34 个通道中执行无差错数据传输，该标准用于在压力下测试高速电路。

研究人员现在正致力于通过结合产生更多波长的光子晶体微环谐振器或通过使用更复杂的光束形状来进一步改进该设备。将这些设备商业化需要完全集成具有高带宽、低功耗和小尺寸的发射器和接收器芯片。这可以实现用于数据中心网络的下一代光互连。

论文中使用的光子优化软件的开源代码可在 GitHub 上获得。