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(jìn)一步推動(dòng)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(yùn)作方式是在眾多的單個(gè)處理器和存儲(chǔ)庫之間高速傳輸大量信息。以往，這類傳輸都采用電信號(hào)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(gè)數(shù)據(jù)通道單獨(dú)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(gè)國外聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)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(gè)可同時(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(shí)，研究人員表示它主要是將美國國家標(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)研究人員設(shè)計(jì)的優(yōu)化模分復(fù)用器相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)了40個(gè)通道并行傳輸信息。每個(gè)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(duì)不同的音樂電臺(tái)進(jìn)行傳輸播報(bào)那樣。

在整個(gè)過程中，研究團(tuán)隊(duì)使用一個(gè)新穎的光子晶體諧振器和一個(gè)反向設(shè)計(jì)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來實(shí)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(gè)由五氧化鉭微米級(jí)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(shí)，斯坦福大學(xué)的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)和建造了一個(gè)新的設(shè)備來進(jìn)行模分多路復(fù)用。該設(shè)備通過將來自四個(gè)500 nm單模波導(dǎo)的光在一個(gè)1800 nm寬的波導(dǎo)中復(fù)用到多模光(電場的多個(gè)正交方向)來創(chuàng)建多個(gè)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(gè)信道中的每一個(gè)單獨(dú)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(jì)，包括迭代計(jì)算梯度來匹配器件結(jié)構(gòu)和期望輸出，從而計(jì)算出這些非直觀的介電常數(shù)分布——允許他們?cè)诒３州^小效率的同時(shí)最大化器件的效率。

為了同時(shí)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(gè)產(chǎn)生的頻率通道，并將它們集中到兩組，以演示使用一對(duì)工作在10Gbit/s的強(qiáng)度調(diào)制器同時(shí)編碼。結(jié)合兩個(gè)數(shù)據(jù)通道(同時(shí)在它們之間引入延遲)，將它們放大并將功率分成四個(gè)不同的輸出，然后將信號(hào)通過模分復(fù)用器和解復(fù)用器，然后用一個(gè)光接收機(jī)和兩個(gè)放大器測(cè)量輸出。

研究人員使用分析儀來測(cè)量出錯(cuò)的頻率。經(jīng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在40個(gè)頻道中，有34個(gè)頻道的傳輸比特的錯(cuò)誤值不到萬億分之一(1012)，其余6個(gè)通道錯(cuò)誤率則高達(dá)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(cuò)傳輸速率為340Gbit/s。

這項(xiàng)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(dá)大學(xué)光學(xué)與光子學(xué)(CREOL)的Delfyett領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)共同完成。它是DARPA光子學(xué)項(xiàng)目“極端可擴(kuò)展性包”(PIPES)的一部分，該項(xiàng)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(xiàng)新技術(shù)還可以用于制造更快的光學(xué)計(jì)算機(jī)，為人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、大規(guī)模仿真和其他應(yīng)用提供高水平的計(jì)算能力。