Los investigadores han demostrado un enlace de comunicación óptica basado en silicio que combina dos tecnologías de multiplexación para crear 40 canales de datos ópticos que pueden mover datos simultáneamente. La nueva interconexión óptica a escala de chip puede transmitir unos 400 GB de datos por segundo, el equivalente a unas 100.000 películas en streaming. Esto podría mejorar las aplicaciones de Internet con uso intensivo de datos, desde servicios de transmisión de video hasta transacciones de alta capacidad para el mercado de valores.

"A medida que crece la demanda de mover más información a través de Internet, necesitamos nuevas tecnologías para impulsar aún más las tasas de datos", dijo Peter Delfyett, quien dirigió el equipo de investigación de la Facultad de Óptica y Fotónica de la Universidad de Florida Central (CREOL). "Debido a que las interconexiones ópticas pueden mover más datos que sus contrapartes electrónicas, nuestro trabajo podría permitir un procesamiento de datos mejor y más rápido en los centros de datos que forman la columna vertebral de Internet".

Un grupo multiinstitucional de investigadores describe el nuevo enlace de comunicación óptica en Optics Letters . Logra 40 canales mediante la combinación de una fuente de luz de peine de frecuencia basada en un nuevo resonador de cristal fotónico desarrollado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) con un multiplexor de división de modo optimizado diseñado por los investigadores de la Universidad de Stanford. Cada canal se puede usar para transportar información de forma muy similar a como diferentes canales estéreo o frecuencias transmiten diferentes estaciones de música.

"Demostramos que estos nuevos peines de frecuencia se pueden usar en interconexiones ópticas totalmente integradas", dijo Chinmay Shirpurkar, coautor del artículo. "Todos los componentes fotónicos se fabricaron con material a base de silicio, lo que demuestra el potencial para fabricar dispositivos ópticos de manejo de información a partir de interconexiones ópticas fáciles de fabricar y de bajo costo".

Además de mejorar la transmisión de datos de Internet, la nueva tecnología también podría usarse para fabricar computadoras ópticas más rápidas que podrían proporcionar los altos niveles de potencia informática necesarios para la inteligencia artificial, el aprendizaje automático, la emulación a gran escala y otras aplicaciones.

Uso de múltiples dimensiones de luz

El nuevo trabajo involucró equipos de investigación dirigidos por Firooz Aflatouni de la Universidad de Pensilvania, Scott B. Papp de NIST, Jelena Vuckovic de la Universidad de Stanford y Delfyett de CREOL. Es parte del programa DARPA Photonics in the Package for Extreme Scalability (PIPES), cuyo objetivo es utilizar la luz para mejorar enormemente la conectividad digital de los circuitos integrados empaquetados utilizando fuentes de luz basadas en micropeines.

Los investigadores crearon el enlace óptico utilizando pentóxido de tantalio (Ta₂ O₅ ) guías de ondas en un sustrato de silicio fabricado en un anillo con una oscilación nanopatronada en la pared interna. El resonador de microanillo de cristal fotónico resultante convierte una entrada de láser en diez longitudes de onda diferentes. También diseñaron y optimizaron un multiplexor de división de modo que transforma cada longitud de onda en cuatro haces nuevos, cada uno con formas diferentes. Agregar esta dimensión espacial permite cuadruplicar la capacidad de datos, creando los 40 canales.

Una vez que los datos se codifican en cada forma de haz y cada color de haz, la luz se vuelve a combinar en un solo haz y se transmite a su destino. En el destino final, las longitudes de onda y las formas de los haces se separan para que cada canal pueda recibirse y detectarse de forma independiente, sin interferencias de los otros canales transmitidos.

"Una ventaja de nuestro enlace es que el resonador de cristal fotónico permite una generación de solitones más sencilla y un espectro de peine más plano que los demostrados con los resonadores de anillo convencionales", dijo el coautor Jizhao Zang del NIST. "Estas características son beneficiosas para los enlaces de datos ópticos".

Mejor rendimiento con diseño inverso

Para optimizar el multiplexor de división de modo, los investigadores utilizaron un enfoque de diseño nanofotónico computacional llamado diseño fotónico inverso. Este método proporciona una forma más eficiente de explorar una gama completa de diseños posibles al tiempo que ofrece huellas más pequeñas, mejores eficiencias y nuevas funcionalidades.

"El enfoque de diseño inverso fotónico hace que nuestro enlace sea altamente personalizable para satisfacer las necesidades de aplicaciones específicas", dijo el coautor Kiyoul Yang de la Universidad de Stanford.

Las pruebas del nuevo dispositivo coincidieron bien con las simulaciones y mostraron que los canales exhibían una diafonía baja de menos de -20 dB. Utilizando menos de −10 dBm de potencia del receptor óptico recibido, el enlace realizó una transmisión de datos sin errores en 34 de los 40 canales utilizando un patrón PRBS31, un estándar utilizado para probar circuitos de alta velocidad bajo tensión.

Los investigadores ahora están trabajando para mejorar aún más el dispositivo mediante la incorporación de resonadores de microanillos de cristal fotónico que producen más longitudes de onda o mediante el uso de formas de haz más complejas. La comercialización de estos dispositivos requeriría la integración completa de un chip transmisor y receptor con un gran ancho de banda, un bajo consumo de energía y un tamaño reducido. Esto podría habilitar la próxima generación de interconexiones ópticas para su uso en redes de centros de datos.

El código de fuente abierta para el software de optimización fotónica utilizado en el documento está disponible en GitHub. + Explora más

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