I ricercatori hanno dimostrato un collegamento di comunicazione ottica basato sul silicio che combina due tecnologie multiplexing per creare 40 canali di dati ottici in grado di spostare i dati contemporaneamente. La nuova interconnessione ottica su scala di chip può trasmettere circa 400 GB di dati al secondo, l'equivalente di circa 100.000 film in streaming. Ciò potrebbe migliorare le applicazioni Internet ad alta intensità di dati dai servizi di streaming video alle transazioni ad alta capacità per il mercato azionario.

"Poiché le richieste di trasferire più informazioni su Internet continuano a crescere, abbiamo bisogno di nuove tecnologie per aumentare ulteriormente la velocità dei dati", ha affermato Peter Delfyett, che ha guidato il team di ricerca del College of Optics and Photonics (CREOL) dell'Università della Florida centrale. "Poiché le interconnessioni ottiche possono spostare più dati rispetto alle loro controparti elettroniche, il nostro lavoro potrebbe consentire un'elaborazione dei dati migliore e più rapida nei data center che costituiscono la spina dorsale di Internet."

Un gruppo multiistituzionale di ricercatori descrive il nuovo collegamento di comunicazione ottica in Optics Letters . Raggiunge 40 canali combinando una sorgente di luce a pettine di frequenza basata su un nuovo risonatore a cristalli fotonici sviluppato dal National Institute of Standards and Technology (NIST) con un multiplexer a divisione di modalità ottimizzato progettato dai ricercatori della Stanford University. Ciascun canale può essere utilizzato per trasportare informazioni in modo molto simile a diversi canali stereo o frequenze, trasmettere diverse stazioni musicali.

"Mostriamo che questi nuovi pettini di frequenza possono essere utilizzati in interconnessioni ottiche completamente integrate", ha affermato Chinmay Shirpurkar, co-primo autore del documento. "Tutti i componenti fotonici sono stati realizzati con materiale a base di silicio, che dimostra il potenziale per la realizzazione di dispositivi ottici di gestione delle informazioni da interconnessioni ottiche a basso costo e di facile fabbricazione."

Oltre a migliorare la trasmissione dei dati su Internet, la nuova tecnologia potrebbe essere utilizzata anche per realizzare computer ottici più veloci in grado di fornire gli elevati livelli di potenza di calcolo necessari per l'intelligenza artificiale, l'apprendimento automatico, l'emulazione su larga scala e altre applicazioni.

Utilizzo di più dimensioni della luce

Il nuovo lavoro ha coinvolto gruppi di ricerca guidati da Firooz Aflatouni dell'Università della Pennsylvania, Scott B. Papp del NIST, Jelena Vuckovic della Stanford University e Delfyett di CREOL. Fa parte del programma DARPA Photonics in the Package for Extreme Scalability (PIPES), che mira a utilizzare la luce per migliorare notevolmente la connettività digitale dei circuiti integrati confezionati utilizzando sorgenti luminose basate su microcomb.

I ricercatori hanno creato il collegamento ottico utilizzando pentossido di tantalio (Ta₂ O₅ ) guide d'onda su un substrato di silicio fabbricato in un anello con un'oscillazione nanomodellata sulla parete interna. Il risultante risonatore a micro-anello di cristallo fotonico trasforma un input laser in dieci diverse lunghezze d'onda. Hanno anche progettato e ottimizzato un multiplexer a divisione di modalità che trasforma ogni lunghezza d'onda in quattro nuovi fasci, ciascuno con forme diverse. L'aggiunta di questa dimensione spaziale consente di quadruplicare la capacità dei dati, creando i 40 canali.

Una volta che i dati sono stati codificati su ciascuna forma e colore del raggio, la luce viene ricombinata in un unico raggio e trasmessa alla sua destinazione. Alla destinazione finale, le lunghezze d'onda e le forme del raggio sono separate in modo che ogni canale possa essere ricevuto e rilevato indipendentemente, senza interferenze dagli altri canali trasmessi.

"Un vantaggio del nostro collegamento è che il risonatore a cristalli fotonici consente una generazione di solitoni più semplice e uno spettro a pettine più piatto rispetto a quelli dimostrati con i risonatori ad anello convenzionali", ha affermato il co-primo autore Jizhao Zang del NIST. "Queste funzionalità sono utili per i collegamenti dati ottici."

Prestazioni migliori con il design inverso

Per ottimizzare il multiplexer a divisione di modalità, i ricercatori hanno utilizzato un approccio di progettazione nanofotonica computazionale chiamato progettazione inversa fotonica. Questo metodo fornisce un modo più efficiente per esplorare una gamma completa di possibili progetti offrendo al contempo ingombri ridotti, migliori efficienze e nuove funzionalità.

"L'approccio di progettazione inversa fotonica rende il nostro collegamento altamente personalizzabile per soddisfare le esigenze di applicazioni specifiche", ha affermato il co-primo autore Kiyoul Yang della Stanford University.

I test del nuovo dispositivo si sono abbinati bene con le simulazioni e hanno mostrato che i canali mostravano una bassa diafonia inferiore a -20 dB. Utilizzando meno di -10 dBm di potenza del ricevitore ottico ricevuto, il collegamento ha eseguito la trasmissione di dati senza errori in 34 dei 40 canali utilizzando un modello PRBS31, uno standard utilizzato per testare circuiti ad alta velocità sotto stress.

I ricercatori stanno ora lavorando per migliorare ulteriormente il dispositivo incorporando micro-risuonatori ad anello a cristalli fotonici che producono più lunghezze d'onda o utilizzando forme del raggio più complesse. La commercializzazione di questi dispositivi richiederebbe la piena integrazione di un chip trasmettitore e ricevitore con larghezza di banda elevata, basso consumo energetico e ingombro ridotto. Ciò potrebbe consentire la prossima generazione di interconnessioni ottiche da utilizzare nelle reti di data center.

Il codice open source per il software di ottimizzazione fotonica utilizzato nel documento è disponibile su GitHub. + Esplora ulteriormente

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