Pesquisadores demonstraram um link de comunicação óptica baseado em silício que combina duas tecnologias de multiplexação para criar 40 canais de dados ópticos que podem mover dados simultaneamente. A nova interconexão óptica em escala de chip pode transmitir cerca de 400 GB de dados por segundo – o equivalente a cerca de 100.000 filmes em streaming. Isso pode melhorar os aplicativos de internet com uso intensivo de dados, desde serviços de streaming de vídeo até transações de alta capacidade para o mercado de ações.
"À medida que as demandas para mover mais informações pela Internet continuam a crescer, precisamos de novas tecnologias para aumentar ainda mais as taxas de dados", disse Peter Delfyett, que liderou a equipe de pesquisa da Faculdade de Óptica e Fotônica da Universidade da Flórida Central (CREOL). “Como as interconexões ópticas podem mover mais dados do que suas contrapartes eletrônicas, nosso trabalho pode permitir um processamento de dados melhor e mais rápido nos data centers que formam a espinha dorsal da Internet”.

Um grupo multi-institucional de pesquisadores descreve o novo link de comunicação óptica em Optics Letters . Ele atinge 40 canais combinando uma fonte de luz de pente de frequência baseada em um novo ressonador de cristal fotônico desenvolvido pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) com um multiplexador de divisão de modo otimizado projetado pelos pesquisadores da Universidade de Stanford. Cada canal pode ser usado para transportar informações da mesma forma que diferentes canais estéreo, ou frequências, transmitem diferentes estações de música.

"Mostramos que esses novos pentes de frequência podem ser usados ​​em interconexões ópticas totalmente integradas", disse Chinmay Shirpurkar, co-autor do artigo. "Todos os componentes fotônicos foram feitos de material à base de silício, o que demonstra o potencial para a fabricação de dispositivos ópticos de manipulação de informações a partir de interconexões ópticas de baixo custo e fáceis de fabricar."

Além de melhorar a transmissão de dados da Internet, a nova tecnologia também pode ser usada para tornar computadores ópticos mais rápidos que podem fornecer os altos níveis de poder de computação necessários para inteligência artificial, aprendizado de máquina, emulação em larga escala e outras aplicações.

Usando várias dimensões de luz

O novo trabalho envolveu equipes de pesquisa lideradas por Firooz Aflatouni da Universidade da Pensilvânia, Scott B. Papp do NIST, Jelena Vuckovic da Universidade de Stanford e Delfyett do CREOL. Faz parte do programa DARPA Photonics in the Package for Extreme Scalability (PIPES), que visa usar a luz para melhorar muito a conectividade digital de circuitos integrados empacotados usando fontes de luz baseadas em microcomb.

Os pesquisadores criaram o link óptico usando pentóxido de tântalo (Ta₂ O₅ ) guias de onda em um substrato de silício fabricado em um anel com uma oscilação nanopadronizada na parede interna. O ressonador de micro-anel de cristal fotônico resultante transforma uma entrada de laser em dez comprimentos de onda diferentes. Eles também projetaram e otimizaram um multiplexador de divisão de modo que transforma cada comprimento de onda em quatro novos feixes, cada um com formas diferentes. A adição dessa dimensão espacial permite um aumento de quatro vezes na capacidade de dados, criando os 40 canais.

Uma vez que os dados são codificados em cada formato de feixe e cada cor de feixe, a luz é recombinada em um único feixe e transmitida ao seu destino. No destino final, os comprimentos de onda e as formas dos feixes são separados para que cada canal possa ser recebido e detectado de forma independente, sem interferência dos demais canais transmitidos.

"Uma vantagem do nosso link é que o ressonador de cristal fotônico permite uma geração de soliton mais fácil e um espectro de pente mais plano do que os demonstrados com ressonadores de anel convencionais", disse o co-primeiro autor Jizhao Zang do NIST. "Esses recursos são benéficos para links de dados ópticos."

Melhor desempenho com design inverso

Para otimizar o multiplexador de divisão de modo, os pesquisadores usaram uma abordagem de design nanofotônico computacional chamada design inverso fotônico. Este método fornece uma maneira mais eficiente de explorar uma gama completa de projetos possíveis, oferecendo áreas menores, melhores eficiências e novas funcionalidades.

"A abordagem de design inverso fotônico torna nosso link altamente personalizável para atender às necessidades de aplicações específicas", disse o co-primeiro autor Kiyoul Yang, da Universidade de Stanford.

Os testes do novo dispositivo combinaram bem com as simulações e mostraram que os canais exibiram uma baixa diafonia inferior a -20 dB. Usando menos de -10 dBm de potência do receptor óptico recebido, o link realizou transmissão de dados sem erros em 34 dos 40 canais usando um padrão PRBS31, um padrão usado para testar circuitos de alta velocidade sob estresse.

Os pesquisadores agora estão trabalhando para melhorar ainda mais o dispositivo, incorporando ressonadores de micro-anel de cristal fotônico que produzem mais comprimentos de onda ou usando formas de feixe mais complexas. A comercialização desses dispositivos exigiria a integração total de um chip transmissor e receptor com alta largura de banda, baixo consumo de energia e uma pequena área ocupada. Isso pode permitir a próxima geração de interconexões ópticas para uso em redes de data center.

O código-fonte aberto para o software de otimização fotônica usado no artigo está disponível no GitHub. + Explorar mais

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