研究人員展示了一種基于硅的光通信鏈路，該鏈路結(jié)合了兩種多路復(fù)用技術(shù)，創(chuàng)建了40個(gè)可以同時(shí)移動(dòng)數(shù)據(jù)的光數(shù)據(jù)通道。這種新的芯片級(jí)光互連可以每秒傳輸大約400G數(shù)據(jù)，這可以改善數(shù)據(jù)密集型互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，從視頻流服務(wù)到股票市場(chǎng)等等所有高容量交易。

中佛羅里達(dá)大學(xué)光學(xué)與光子學(xué)學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)的Peter Delfyett說：“隨著通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸更多信息的需求不斷增長(zhǎng)，我們需要新技術(shù)來進(jìn)一步推動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸速度。由于光互連比電子互連可以傳輸更多的數(shù)據(jù)，我們的工作可以在構(gòu)成互聯(lián)網(wǎng)主干的數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)更好更快的數(shù)據(jù)處理。”

在《光學(xué)快報(bào)》的論文中描述了這種新的光通信鏈路，它通過將基于美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所NIST開發(fā)的新型光子晶體諧振器的頻率梳光源與斯坦福大學(xué)科學(xué)家設(shè)計(jì)的優(yōu)化模分復(fù)用器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了40個(gè)通道。每個(gè)頻道都可以用來傳送信息，就像不同的立體聲頻道或頻率傳送不同的音樂電臺(tái)一樣。

“很明顯，這些新的頻率可以用于完全集成的光互連�！痹撜撐牡牡谝蛔髡咧�一ChinmayShirpurkar說�！八�有光子零件100%都是由硅基材料制成的，這證明了利用低成本、易于制造的光互連制造光信息處理設(shè)備的潛力。除了改善互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸外，這項(xiàng)新技術(shù)還可用于制造速度更快的光學(xué)計(jì)算機(jī)，以提供人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、大規(guī)模仿真和其他應(yīng)用所需的高水平計(jì)算能力�！�

使用多個(gè)光源尺寸

這項(xiàng)新工作涉及由賓夕法尼亞大學(xué)的Firooz Aflatouni，NIST的Scott B. Papp，斯坦福大學(xué)的Jelena Vuckovic和CREOL的Delfyett領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)。它是DARPA光子學(xué)極端可擴(kuò)展性封裝（PIPES）計(jì)劃的一部分，該計(jì)劃旨在利用光來大大改善使用基于微梳的光源的封裝集成電路的數(shù)字連接性。

美國(guó)科學(xué)家們?cè)诠杌�芯片上使用五氧化二鉭Ta2O5波導(dǎo)制作了光鏈路，該硅基片制作成一個(gè)在內(nèi)壁上有納米圖案振蕩的環(huán)，由此產(chǎn)生的光子晶體微環(huán)諧振器將激光輸入轉(zhuǎn)換為十種不同的波長(zhǎng)。他們還設(shè)計(jì)并優(yōu)化了一個(gè)模分復(fù)用器，將每個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成四個(gè)不同形狀的新光束。添加此空間維度可以使數(shù)據(jù)容量增加四倍，從而創(chuàng)建40個(gè)通道。科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)并優(yōu)化了一種模分復(fù)用器，將10個(gè)波長(zhǎng)中的每一個(gè)轉(zhuǎn)換成四個(gè)不同形狀的新光束。一旦數(shù)據(jù)被編碼到每個(gè)光束形狀和每個(gè)光束顏色上，光就會(huì)被重新組合成單個(gè)光束并傳輸?shù)狡淠康牡亍Ｔ谧罱K目的地，波長(zhǎng)和波束形狀被分離，以便可以獨(dú)立地接收和檢測(cè)每個(gè)信道，而不受其他發(fā)射信道的干擾。

另一位科學(xué)家解釋說：“光子晶體諧振器能夠比傳統(tǒng)環(huán)形諧振器更容易產(chǎn)生孤子和更平坦的梳狀光譜，這些功能有利于光纖數(shù)據(jù)鏈路。”

通過逆向設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更好的性能

為了優(yōu)化模分復(fù)用器，科學(xué)家們使用了一種稱為光子逆設(shè)計(jì)的計(jì)算納米光子設(shè)計(jì)方法。這種方法提供了一種更有效的方式來探索各種可能的設(shè)計(jì)，同時(shí)提供更小的占用面積、更好的效率和新的功能。

斯坦福大學(xué)的共同第一作者Kiyoul Yang說：“光子逆向設(shè)計(jì)方法使我們的芯片高度可定制，以滿足特定應(yīng)用的需要�！�

對(duì)新器件的測(cè)試與仿真結(jié)果也都非常好，信道的串?dāng)_小于-20 dB。接收到的光接收器功率為10 dBm，鏈路使用PRBS31模式在40個(gè)信道中的34個(gè)信道中都執(zhí)行了無錯(cuò)誤數(shù)據(jù)傳輸，PRBS31模式是用于測(cè)試處于壓力下的高速電路的標(biāo)準(zhǔn)。

科學(xué)家們目前正致力于通過加入光子晶體微環(huán)諧振器（產(chǎn)生更多波長(zhǎng)）或使用更復(fù)雜的光束形狀來進(jìn)一步改進(jìn)該設(shè)備。這些設(shè)備的商業(yè)化將需要高帶寬、低功耗和小占地面積的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)芯片的完全集成，這將使下一代光互連能夠在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中使用。

本文中使用的光子優(yōu)化軟件的開放源代碼可在GitHub上免費(fèi)獲得。

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