基于光子晶体谐振器和波导结构的新型光互连

       美国的多家机构合作近期研发了一种新型的光互连，有望使已经闪电般快速传播的信息在未来变得更快。该链路使用新型光子晶体谐振器和逆向设计的波导结构来实现波分复用和模分复用，可承载 40 个通道，340 Gb/秒 (Gbit/s) 的数据无差错传输(Opt. Lett., doi: 10.1364/OL.461272)。

       数据中心通过在众多独立处理器和内存库之间高速传输大量信息来运行。虽然可以使用电来实现链路互联，但相比之下具备高频率、低损耗优势的光通信可以实现更快、更有效的传输。 然而，光互连目前需要为每个数据通道使用单独的激光器，因此会消耗大量能量。

       在最新的研究中，由宾夕法尼亚大学的 Firooz Aflatouni、美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的 Scott Papp、斯坦福大学的 Jelena Vu?kovi? 和中佛罗里达大学的 Peter Delfyett 带领的研究团队将两种不同类型的多路复用在一个链路中，在完全由集成光子构建的链路实现了非常高的无错误比特率。

图1  扫描电子显微镜图像显示了环形光子晶体谐振器（左），其特征是内部有一个纳米图案（右），它分裂了选定的谐振模式以产生梳状结构

       该装置的前半部分包括一个由微米级五氧化二钽环制成的频率梳，其自由光谱范围为 400 GHz。他们能够产生非常短暂的光脉冲，在频域中由大量窄的、等距的“齿”组成。频率梳通常安装在光学底座上，但在过去十年左右的时间里，科学家们已经可以用直径至多几毫米的腔体来制造（尽管它们仍然需要更大的电子控制设备）。

       从这种微谐振器产生的频率梳通常需要谐振器显示异常色散，这意味着它们的折射率随着入射光频率的升高而下降。相反，利用正常色散可以提高效率并使梳状结构的频谱趋于平坦，但在这种情况下，通常不能实现产生四波混频所需的相位匹配。

       NIST 的 Papp 及其同事展示了如何通过蚀刻环的内边缘来实现这一点，从而使它形成一个非常浅的正弦波。虽然从波峰到波谷只有几十纳米，但这种模式在环的谐振模式之一中产生了光子带隙。带隙将模式一分为二，从而可以泵浦低频部分以满足必要的相位匹配条件。

图2  模分复用器：它将 10 个波长中的每一个转换成四个新光束，每个光束都有不同的形状。数据容量增加了四倍，创建了 40 个通道

       与此同时，斯坦福大学的 Vu?kovi? 及其同事设计并制造了一种新设备来进行模分复用。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。四个通道中的每一个都分别包含通过波分复用创建的所有通道。

       研究人员通过在位于绝缘体顶部的 220 nm 厚的硅层上蚀刻非常精确的图案来制造多路复用器和多路解复用器。他们使用一种逆向设计计算出这些非直观的介电常数分布，该逆向设计涉及梯度的迭代计算，以使器件结构与所需的输出相匹配——使他们能够在保持器件小尺寸的同时最大限度地提高器件的效率。

      为了一起演示这两种设备，研究人员用连续波激光泵浦频率梳，只选择了十个产生的频率通道并将它们集中到两组中，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），放大它们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，最后用光接收器和两个放大器测量输出。

        研究人员通过分析仪测量错误频率发现，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)。虽然这些通道被认为是“无误的”，但其余6个通道的错误率却高达 100 亿分之一。 结果是 400 Gbit/s 的整体传输速率和 340 Gbit/s 的无差错传输速率。

       中佛罗里达大学的主要研究人员 Chinmay Shirpurkar 指出，这并不是数据中心内传输速率的记录，并解释道这项工作“更多地是关于使用这些紧凑型新颖集成设备的潜力”。

       事实上，根据 Shirpurkar 的说法，此次合作力图寻找方法来提高设备的各项性能。他说，他和他的同事设计了多路复用器-多路解复用器结构，可以容纳 8 到 12 种不同的空间模式，目前正在测试这些结构的性能。他们还在设计集成波分复用芯片和调制器，以取代当前实验中使用的商业设备，这意味着能够复用大约 40 个梳状通道。

       但首先，Shirpurkar 表示他们需要使用多模光纤而不是波导来测试他们的方案。这将使他们能够测量通道之间的串扰程度以及现实环境中可能出现的环境噪声量。