Con la crescente diffusione dei data center e di altre applicazioni di interconnessione affamate di larghezza di banda, l'odierna crescita della larghezza di banda delle reti ottiche a breve distanza richiede velocità di trasmissione dati superiori a 100 Gb/s, chiedendo lo sviluppo di efficienza energetica, collegamenti ottici multicanale con velocità di trasferimento dati elevate.

Basato sulla tecnologia complementare metallo-ossido-semiconduttore (COMS), uno standard a basso costo, tecnica di produzione di chip ad alto volume utilizzata oggi per la maggior parte dei processori e dei chip:un gruppo di ricercatori dell'IBM Research di Zurigo, Svizzera, insieme a un consorzio che lavora nell'ambito del progetto finanziato dall'UE "ADDAPT, " hanno dimostrato un nuovo ricevitore ottico (RX) in grado di raggiungere una larghezza di banda aggregata di 160 Gb/s attraverso quattro fibre ottiche. Questa non è solo la velocità di trasmissione dati più veloce fino ad oggi, ma il ricevitore ottico di nuova concezione dispone anche della funzionalità di accensione/spegnimento del collegamento e può riattivarsi e ottenere il blocco di fase in otto nanosecondi, il tempo di commutazione più breve mai registrato. Presenteranno la loro innovazione all'OFC 2018, 11-15 marzo, San Diego, California.

Secondo i ricercatori, la funzione di accensione/spegnimento rapido migliorerà l'utilizzo del collegamento e ridurrà notevolmente il consumo di energia su un chip o in un sistema di interconnessione ottica. A differenza di molti ricetrasmettitori ottici commerciali che sono sempre accesi indipendentemente dall'attività di trasmissione, la potenza qui verrebbe utilizzata solo quando i pacchetti di dati vengono trasmessi attraverso il collegamento ottico. Il nuovo disegno, confezionato con un array di fotodiodi da 850 nanometri, mira a collegamenti ottici basati su VCSEL a basso costo per le interconnessioni di data center.

"Questo è il primo ricevitore ottico che combina velocità di trasmissione dati ad alta velocità e funzionalità di accensione e spegnimento rapidi pur essendo estremamente basso nello stato di 'accensione' (circa 88 miliwatt), " ha detto Alessandro Cevrero, l'autore principale dell'articolo e uno scienziato dell'IBM Research Lab, Svizzera. Oggi, l'utilizzo dei collegamenti nei data center è inferiore al dieci percento per il 99 percento dei collegamenti. Ciò significa che solo il dieci percento del tempo di lavoro dei collegamenti viene effettivamente utilizzato per la trasmissione dei dati dell'utente, mentre il resto del tempo viene sprecato inviando pacchetti di dati inattivi che mancano di informazioni. Per migliorare l'efficienza energetica nel sistema di interconnessione ottica, i ricercatori hanno sviluppato la funzionalità di accensione/spegnimento rapida per il ricevitore, in modo che i collegamenti possano essere spenti durante il tempo di inattività e riaccesi quando i dati sono pronti per essere trasmessi.

"Il nostro disegno, per la prima volta, consente l'accensione/spegnimento e il collegamento ottico in base al pacchetto, " disse Cevrero. Il tempo di accensione è di soli otto nanosecondi, che è inferiore alla durata media di un singolo pacchetto di dati in un tipico protocollo di rete trasmesso a una velocità di 160 Gb/s. "Ci sono stati precedenti tentativi scientifici di disattivare i collegamenti quando non ci sono dati, tuttavia, il tempo necessario per l'attivazione e la disattivazione del collegamento è stato di ordini di grandezza più lungo di quello di un singolo pacchetto di dati. Per ottenere un'accensione più breve, tempo a una velocità di trasmissione dati molto elevata è la sfida chiave."

Per affrontare questo, Il team di Cevrero ha progettato un ricevitore ottico con quattro canali identici associati a un protocollo di collegamento proposto. Il protocollo di collegamento è dotato di circuiti analogici intelligenti auto-sviluppati che possono allineare rapidamente l'orologio del ricevitore con l'arrivo dei dati in arrivo, e rileva le sequenze di segnali ottici per accendere e spegnere rapidamente il sistema di collegamento.

I ricercatori hanno quindi testato il ricevitore a 40 Gb/s con un trasmettitore di riferimento costituito da un modulatore Mach-Zehnder da 850 nanometri seguito da un attenuatore ottico variabile. Hanno anche eseguito esperimenti di accensione/spegnimento generando un segnale ottico che implementa il protocollo di collegamento proposto. Di conseguenza, hanno osservato il corretto ciclo di alimentazione durante un ciclo di alimentazione 109, e che il ricevitore opera senza errori a 40 Gb/s al secondo, producendo una larghezza di banda aggregata di 160 Gb/s su fibre multimodali. I dati sperimentali hanno anche mostrato che l'utilizzo del collegamento del 10% corrisponde a un risparmio energetico dell'85% sul ricevitore.

Cevrero ha osservato che il miglioramento dell'efficienza energetica dei collegamenti ottici consente agli scienziati di costruire molto più velocemente, sistemi informatici ad alte prestazioni, poiché si può "stipare" una larghezza di banda maggiore nello stesso budget termico del pacchetto. Risparmiare sui consumi energetici aiuta anche a ridurre l'emissione di anidride carbonica dalla rete ottica, portando a sistemi di comunicazione ottica più ecologici.

Il prossimo passo dei ricercatori, Cevrero ha detto, consiste nel convalidare un sistema di interconnessione ottica completo misurando il trasmettitore ottico, nonché di aumentare la velocità di trasmissione dati lato ricevitore a 56 Gb/s per canale.