一种光互联硅基芯片每秒可传输400G数据

研究人员展示了一种基于硅的光通信链路，该链路结合了两种多路复用技术，创建了40个可以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大约400G数据，这可以改善数据密集型互联网应用，从视频流服务到股票市场等等所有高容量交易。

中佛罗里达大学光学与光子学学院研究团队的Peter Delfyett说：“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传输速度。由于光互连比电子互连可以传输更多的数据，我们的工作可以在构成互联网主干的数据中心实现更好更快的数据处理。”

在《光学快报》的论文中描述了这种新的光通信链路，它通过将基于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科学家设计的优化模分复用器相结合，实现了40个通道。每个频道都可以用来传送信息，就像不同的立体声频道或频率传送不同的音乐电台一样。

“很明显，这些新的频率可以用于完全集成的光互连。”该论文的第一作者之一ChinmayShirpurkar说。“所有光子零件100%都是由硅基材料制成的，这证明了利用低成本、易于制造的光互连制造光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，以提供人工智能、机器学习、大规模仿真和其他应用所需的高水平计算能力。”

使用多个光源尺寸

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光子学极端可扩展性封装（PIPES）计划的一部分，该计划旨在利用光来大大改善使用基于微梳的光源的封装集成电路的数字连接性。

美国科学家们在硅基芯片上使用五氧化二钽Ta2O5波导制作了光链路，该硅基片制作成一个在内壁上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转换为十种不同的波长。他们还设计并优化了一个模分复用器，将每个波长转换成四个不同形状的新光束。添加此空间维度可以使数据容量增加四倍，从而创建40个通道。科学家们设计并优化了一种模分复用器，将10个波长中的每一个转换成四个不同形状的新光束。一旦数据被编码到每个光束形状和每个光束颜色上，光就会被重新组合成单个光束并传输到其目的地。在最终目的地，波长和波束形状被分离，以便可以独立地接收和检测每个信道，而不受其他发射信道的干扰。

另一位科学家解释说：“光子晶体谐振器能够比传统环形谐振器更容易产生孤子和更平坦的梳状光谱，这些功能有利于光纤数据链路。”

通过逆向设计实现更好的性能

为了优化模分复用器，科学家们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，同时提供更小的占用面积、更好的效率和新的功能。

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

对新器件的测试与仿真结果也都非常好，信道的串扰小于-20 dB。接收到的光接收器功率为10 dBm，链路使用PRBS31模式在40个信道中的34个信道中都执行了无错误数据传输，PRBS31模式是用于测试处于压力下的高速电路的标准。

科学家们目前正致力于通过加入光子晶体微环谐振器（产生更多波长）或使用更复杂的光束形状来进一步改进该设备。这些设备的商业化将需要高带宽、低功耗和小占地面积的发射机和接收机芯片的完全集成，这将使下一代光互连能够在数据中心网络中使用。

本文中使用的光子优化软件的开放源代码可在GitHub上免费获得。

相关链接：https://phys.org/news/2022-06-channel-optical-link-capable-transmitting.html