通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸更多信息的需求正持續(xù)爆發(fā)性增長，利用新的技術(shù)來進一步推動數(shù)據(jù)速率顯得尤為關(guān)鍵。

眾所周知，數(shù)據(jù)中心的運作方式是在眾多的單個處理器和存儲庫之間高速傳輸大量信息。以往，這類傳輸都采用電信號連接，但如今，光通信更高的頻率和更低損耗可以使傳輸更快、更有效。但可惜的地方在于，光互連目前需要每個數(shù)據(jù)通道單獨的激光器，因此它需要消耗大量的能量。

讓人驚喜的是，近日一個國外聯(lián)合研究團隊展示了一種硅基光通信鏈路，它結(jié)合了兩種多路復(fù)用技術(shù)，可創(chuàng)建40個可同時移動數(shù)據(jù)的光數(shù)據(jù)通道。這種新的芯片級光互連可以每秒傳輸約400Gb的數(shù)據(jù)，有望大幅改善數(shù)據(jù)密集型的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

模分復(fù)用器可將10種波長中的每一種轉(zhuǎn)換成4種不同形狀的新光束，從而創(chuàng)造出40通道光通信鏈路。（圖片來源：Stanford University）

在介紹這種新的光通信鏈路時，研究人員表示它主要是將美國國家標準與技術(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)研究人員設(shè)計的優(yōu)化模分復(fù)用器相結(jié)合，從而實現(xiàn)了40個通道并行傳輸信息。每個頻道都可以用來攜帶信息，就像不同的立體聲頻道或頻率可以對不同的音樂電臺進行傳輸播報那樣。

在整個過程中，研究團隊使用一個新穎的光子晶體諧振器和一個反向設(shè)計的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)波分復(fù)用和模分復(fù)用。

該方案的前半部分包括一個由五氧化鉭微米級環(huán)制成的頻率梳，自由光譜范圍為400 GHz。頻率梳產(chǎn)生非常短暫的光脈沖，在頻域中由大量狹窄的、等間距的“梳齒”組成。

與此同時，斯坦福大學(xué)的團隊已經(jīng)設(shè)計和建造了一個新的設(shè)備來進行模分多路復(fù)用。該設(shè)備通過將來自四個500 nm單模波導(dǎo)的光在一個1800 nm寬的波導(dǎo)中復(fù)用到多模光(電場的多個正交方向)來創(chuàng)建多個數(shù)據(jù)通道，然后在輸出端將其解復(fù)用回單模波導(dǎo)。這四個信道中的每一個單獨包含所有通過波分復(fù)用創(chuàng)建的信道。

據(jù)介紹，研究人員通過在絕緣體上220nm厚的硅層上刻蝕非常精確的圖案來制造多路復(fù)用器和解路復(fù)用器。他們使用一種反設(shè)計，包括迭代計算梯度來匹配器件結(jié)構(gòu)和期望輸出，從而計算出這些非直觀的介電常數(shù)分布——允許他們在保持較小效率的同時最大化器件的效率。

為了同時演示這兩種設(shè)備，研究人員利用了連續(xù)波激光器泵浦頻率梳，只選擇10個產(chǎn)生的頻率通道，并將它們集中到兩組，以演示使用一對工作在10Gbit/s的強度調(diào)制器同時編碼。結(jié)合兩個數(shù)據(jù)通道(同時在它們之間引入延遲)，將它們放大并將功率分成四個不同的輸出，然后將信號通過模分復(fù)用器和解復(fù)用器，然后用一個光接收機和兩個放大器測量輸出。

研究人員使用分析儀來測量出錯的頻率。經(jīng)觀測發(fā)現(xiàn)，在40個頻道中，有34個頻道的傳輸比特的錯誤值不到萬億分之一(1012)，其余6個通道錯誤率則高達100億分之一。因此，這種光通信鏈路的總體傳輸速率為400Gbit/s，無錯傳輸速率為340Gbit/s。

這項新工作由賓夕法尼亞大學(xué)的Firooz Aflatouni、NIST的Scott B. Papp、斯坦福大學(xué)的Jelena Vuckovic和中佛羅里達大學(xué)光學(xué)與光子學(xué)(CREOL)的Delfyett領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊共同完成。它是DARPA光子學(xué)項目“極端可擴展性包”(PIPES)的一部分，該項目旨在利用光極大地改善封裝集成電路的數(shù)字連接，使用基于微梳的光源。

除了改善互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，這項新技術(shù)還可以用于制造更快的光學(xué)計算機，為人工智能、機器學(xué)習(xí)、大規(guī)模仿真和其他應(yīng)用提供高水平的計算能力。