数据传输速度达400GB/s的光通信链路

图1 研究人员发明了一种硅基光通信链路，其结合了两种多路复用技术，能创建40个光数据信道。环形光子晶体谐振器（左）内部含有如右图中所示的纳米结构，能将选定的谐振模式分开、生成光梳。图为扫描电子显微镜成像

研究人员发明了一种结合了两种多路复用技术的硅基光通信链路，能创建40个可以同时传输数据的光数据信道。这种新型芯片级光互连技术每秒可传输约400GB数据，相当于10万部流媒体电影。这一技术有望改善视频流媒体服务、股票市场的大宗交易等数据密集型互联网应用。

中佛罗里达大学光学与光子学学院研究团队负责人Peter Delfyett说：“互联网对传输信息容量的需求一直在增长，需要新技术进一步提高数据传输速率。相较于传统电互连，光互连传输的数据量更大。我们的研究将推动作为互联网核心的数据中心以更优、更快的方式进行数据处理。”

一个由多家机构合作的研究小组在发表于Optics Letters上的文章中描述了这种新型光通信链路。这一链路结合了频率梳光源（基于美国国家标准与技术研究院开发新型光子晶体谐振器设计）和优化后的模分复用器（由斯坦福大学研究人员设计），成功实现了40个信道传输。如同不同的立体声通道和不同频率音乐电台一样，每个信道都能独立传输信息。

“我们的研究证明，新型频率梳能用于完全集成的光互连中，”该论文的共同第一作者Chinmay Shirpurkar说。“所有光子元件都由硅基材料制成，为有望使用低成本、易制造的光互连期间制造光信息处理设备带来了希望。”

除了改善互联网数据传输外，这项新技术还可用于制造处理速度更快的光学计算机，从而为人工智能、机器学习、大规模仿真及其他应用提供高水平的计算能力。

多种形式光信道

这项新工作由宾夕法尼亚大学的Firooz Aflatouni、美国国家标准与技术研究院的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学院Delfyett所领导的研究团队共同完成。

研究人员使用五氧化二钽(Ta2O5)波导在硅衬底上制造出一个内壁刻有纳米图案的环形谐振腔，这种光子晶体微环谐振腔能将所输入激光转换为十种不同波长。他们还设计、优化了一个模分复用器，将每种波长转换成四个不同形状的新光束。增加形状这一空间维度能够使数据容量扩大四倍、最终形成40个信道。

图2 研究人员设计并优化了一种模分复用器，将10种波长分别转换成4种不同形状的新光束；数据容量因此增长四倍，创造了40个通道

在数据被编码到形状、颜色不同的光束上之后，所有光束会重新组合成一束光，并传输到目的地。在目的地处，不同波长和波束形状的光束被分离，以便每个信道都能被独立接收和分析、不受其他传输信道的干扰。

美国国家标准与技术研究院的共同第一作者Jizhao Zang说：“我们所设计光链路的一个优势是：相比传统环形谐振器，光子晶体谐振器更易产生孤子、梳谱更平滑。这些特性对光数据链路是非常有益的。”

逆向设计，性能更佳

为了对模分复用器进行优化，研究人员使用了一种被称为光子逆向设计的计算纳米光子设计方法。这种方法能够更高效的对各类可能设计进行分析，同时对器件的干扰更小、功能更多。

斯坦福大学的共同第一作者Kiyoul Yang说：“借助光子逆向设计，我们发明的光链路具有高度的定制度，从而可以满足特定应用的需求。”

新器件的测试结果与仿真结果良好吻合，并表明信道串扰低于-20 dB。使用低于-10dBm接收端光接收功率测试，该链路在40个通道中使用PRBS31码型（一种对压力下高速电路进行测试的标准）完成了34个无错数据的传输。

研究人员正致力于进一步改进该装置，使用能够产生更多波长的光子晶体微环谐振器、或者使用更复杂的光束形状。商业化的设备要求发射端和接收端芯片的完全集成，带宽高、功耗低、占地面积小，如果能够成功实现商业化，将意味着下一代光互连技术在数据中心网络中的应用成为可能。

文中使用的光子优化软件的开源代码已发布在GitHub。

文章见：Shirpurkar et al, Photonic crystal resonators for inverse-designed multi-dimensional optical interconnects, Optics Letters (2022). DOI: 10.1364/OL.461272。