Центрам обработки данных, использующим искусственный интеллект, необходимо перемещать огромные объемы данных между чипами, но сделать эти соединения более быстрыми без увеличения энергопотребления по-прежнему непросто.
Исследователи из Японии разработали компактный кремниевый оптический модулятор, который передает данные со скоростью до 200 гигабит в секунду (Гбит/с), используя медленно движущийся свет и встроенный электрический эквалайзер для преодоления ограничения скорости, которое мешало работе аналогичных устройств.
Исследователи объединили две технологии в одном кремниевом устройстве. Его фотонно-кристаллический волновод (крошечная структура, которая направляет свет через кремниевый чип) содержит тщательно продуманную структуру из крошечных отверстий, которая контролирует прохождение света через материал, позволяя ему распространяться медленнее, чем в обычном волноводе.
Обычные кремниевые модуляторы, преобразующие электрические сигналы в свет, обычно имеют размер в несколько миллиметров и сталкиваются с необходимостью компромисса между эффективной модуляцией и высокочастотными характеристиками.
Замедляющий свет усиливает его взаимодействие с устройством, повышая эффективность, но электрическое сопротивление может ограничить скорость реакции модулятора.
Новый дизайн решает обе проблемы, потенциально помогая центрам обработки данных устанавливать больше оптических соединений при одновременном снижении энергопотребления.
«Мы создали кремниевый оптический модулятор на основе фотонно-кристаллического волновода со встроенным электрооптическим эквалайзером, который позволяет преодолеть ограничение полосы пропускания, сохраняя при этом преимущества эффекта замедления света», — сказал Тосихико Баба, один из авторов исследования и профессор Национального университета Ёкохамы.
Этот эффект замедления света усиливает взаимодействие между светом и устройством, позволяя небольшому электрическому изменению вызывать более значительные изменения в исходящем световом сигнале. В результате достигается более эффективная модуляция при меньших размерах.
Однако у обычных модуляторов замедленного света есть проблема. Электрическое сопротивление ограничивает их высокочастотную реакцию, из-за чего они не могут быстро обрабатывать изменяющиеся сигналы.
Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи добавили встроенный электрооптический (ЭО) эквалайзер, который помогает модулятору работать с сигналами, меняющимися быстрее. Он регулирует сочетание различных частей светового сигнала, позволяя устройству сохранять работоспособность на более высоких скоростях.
В результате диапазон частот сигнала, с которыми может работать устройство, увеличился с 35 до 80 гигагерц (ГГц) в одной модели и с 23 до 55 ГГц в другой.
Ученые изготовили устройство с использованием 300-миллиметрового процесса производства кремниевых пластин на изоляторе.
Длина всего устройства, включая основную часть и секцию эквалайзера, составляет всего 320 микрометров (мкм), в то время как длина обычных кремниевых модуляторов Маха — Цендера составляет 2–4 миллиметра. Все устройство, включая электроды, занимает площадь примерно в 0,4 квадратных миллиметра.
С помощью простого 11-отводного эквалайзера на приемнике команда достигла скорости 140 Гбит/с, используя амплитудно-фазовую манипуляцию, при которой свет передает данные с помощью двух уровней сигнала. Модулятор потреблял 26 фемтоджоулей (фДж) на бит. Фемтоджоуль — это чрезвычайно малая единица энергии, равная одной квадриллионной джоуля.
Используя амплитудно-импульсную модуляцию с четырьмя уровнями сигнала (PAM-4), исследователи достигли скорости 180 Гбит/с без цифровой обработки сигнала (ЦОС). Добавление 11-отводного эквалайзера приемника увеличило скорость до 200 Гбит/с, при при этом модулятор потреблял 63 фДж на бит.
Источник: russianelectronics.ru