Les chercheurs ont démontré une liaison de communication optique à base de silicium qui combine deux technologies de multiplexage pour créer 40 canaux de données optiques. Le résonateur à cristal photonique en forme d'anneau (à gauche) présente un nanomotif à l'intérieur (à droite) qui divise un mode de résonance sélectionné pour la génération de peigne. Images prises au microscope électronique à balayage. Crédit :Su-Peng Yu, NIST
Les chercheurs ont démontré une liaison de communication optique à base de silicium qui combine deux technologies de multiplexage pour créer 40 canaux de données optiques capables de déplacer simultanément des données. La nouvelle interconnexion optique à l'échelle de la puce peut transmettre environ 400 Go de données par seconde, soit l'équivalent d'environ 100 000 films en streaming. Cela pourrait améliorer les applications Internet gourmandes en données, des services de streaming vidéo aux transactions à haute capacité pour le marché boursier.
"Alors que les demandes de transfert de plus d'informations sur Internet continuent de croître, nous avons besoin de nouvelles technologies pour pousser les débits de données plus loin", a déclaré Peter Delfyett, qui a dirigé l'équipe de recherche du Collège d'optique et de photonique (CREOL) de l'Université de Floride centrale. "Parce que les interconnexions optiques peuvent déplacer plus de données que leurs homologues électroniques, notre travail pourrait permettre un traitement des données meilleur et plus rapide dans les centres de données qui forment l'épine dorsale d'Internet."
Un groupe de chercheurs multi-institutionnel décrit le nouveau lien de communication optique dans Optics Letters . Il atteint 40 canaux en combinant une source lumineuse à peigne de fréquence basée sur un nouveau résonateur à cristal photonique développé par le National Institute of Standards and Technology (NIST) avec un multiplexeur à répartition de mode optimisé conçu par les chercheurs de l'Université de Stanford. Chaque canal peut être utilisé pour transporter des informations, tout comme différents canaux stéréo ou fréquences, transmettent différentes stations de musique.
"Nous montrons que ces nouveaux peignes de fréquence peuvent être utilisés dans des interconnexions optiques entièrement intégrées", a déclaré Chinmay Shirpurkar, co-premier auteur de l'article. "Tous les composants photoniques ont été fabriqués à partir d'un matériau à base de silicium, ce qui démontre le potentiel de fabrication de dispositifs de traitement d'informations optiques à partir d'interconnexions optiques à faible coût et faciles à fabriquer."
En plus d'améliorer la transmission de données sur Internet, la nouvelle technologie pourrait également être utilisée pour fabriquer des ordinateurs optiques plus rapides qui pourraient fournir les niveaux élevés de puissance de calcul nécessaires à l'intelligence artificielle, à l'apprentissage automatique, à l'émulation à grande échelle et à d'autres applications.
Utilisation de plusieurs dimensions de lumière
Le nouveau travail a impliqué des équipes de recherche dirigées par Firooz Aflatouni de l'Université de Pennsylvanie, Scott B. Papp du NIST, Jelena Vuckovic de l'Université de Stanford et Delfyett de CREOL. Il fait partie du programme DARPA Photonics in the Package for Extreme Scalability (PIPES), qui vise à utiliser la lumière pour améliorer considérablement la connectivité numérique des circuits intégrés en boîtier à l'aide de sources lumineuses à base de micropeignes.
Les chercheurs ont créé la liaison optique à l'aide de pentoxyde de tantale (Ta2 O5 ) guides d'ondes sur un substrat de silicium fabriqué dans un anneau avec une oscillation nanométrique sur la paroi interne. Le résonateur micro-anneau à cristal photonique qui en résulte transforme une entrée laser en dix longueurs d'onde différentes. Ils ont également conçu et optimisé un multiplexeur modal qui transforme chaque longueur d'onde en quatre nouveaux faisceaux ayant chacun des formes différentes. L'ajout de cette dimension spatiale permet de multiplier par quatre la capacité de données, créant les 40 canaux.
Les chercheurs ont conçu et optimisé un multiplexeur modal qui transforme chacune des 10 longueurs d'onde en quatre nouveaux faisceaux ayant chacun des formes différentes. Cette multiplication par quatre de la capacité de données crée 40 canaux. Crédit :Kiyoul Yang, Université de Stanford
Une fois que les données sont codées sur chaque forme de faisceau et chaque couleur de faisceau, la lumière est recombinée en un seul faisceau et transmise à sa destination. À la destination finale, les longueurs d'onde et les formes de faisceau sont séparées afin que chaque canal puisse être reçu et détecté indépendamment, sans interférence des autres canaux transmis.
"Un avantage de notre lien est que le résonateur à cristal photonique permet une génération plus facile de solitons et un spectre de peigne plus plat que ceux démontrés avec les résonateurs en anneau conventionnels", a déclaré le co-premier auteur Jizhao Zang du NIST. "Ces fonctionnalités sont bénéfiques pour les liaisons de données optiques."
Meilleures performances avec la conception inversée
Pour optimiser le multiplexeur à répartition modale, les chercheurs ont utilisé une approche de conception nanophotonique computationnelle appelée conception inverse photonique. Cette méthode offre un moyen plus efficace d'explorer une gamme complète de conceptions possibles tout en offrant un encombrement réduit, une meilleure efficacité et de nouvelles fonctionnalités.
"L'approche de conception inverse photonique rend notre lien hautement personnalisable pour répondre aux besoins d'applications spécifiques", a déclaré le co-premier auteur Kiyoul Yang de l'Université de Stanford.
Les tests du nouveau dispositif correspondaient bien aux simulations et montraient que les canaux présentaient une faible diaphonie inférieure à -20 dB. En utilisant moins de -10 dBm de puissance de réception optique reçue, la liaison a effectué une transmission de données sans erreur dans 34 des 40 canaux en utilisant un modèle PRBS31, une norme utilisée pour tester les circuits à grande vitesse sous contrainte.
Les chercheurs travaillent maintenant à améliorer encore le dispositif en incorporant des résonateurs à micro-anneaux à cristal photonique qui produisent plus de longueurs d'onde ou en utilisant des formes de faisceaux plus complexes. La commercialisation de ces dispositifs nécessiterait l'intégration complète d'une puce émettrice et réceptrice avec une bande passante élevée, une faible consommation d'énergie et un faible encombrement. Cela pourrait permettre la prochaine génération d'interconnexions optiques à utiliser dans les réseaux de centres de données.
Le code open source du logiciel d'optimisation photonique utilisé dans l'article est disponible sur GitHub. De nouveaux matériaux polymères facilitent la fabrication d'interconnexions optiques
