Изследователи от Япония разработиха компактен силициев оптичен модулатор, който взема решение за едновременно двата проблема на съвременните центрове за данни: недостатъчната скорост на предаване на данни и прекалено високата консумация на енергия. Устройството, което използва принципа на забавеното разпространение на светлината и е оборудвано с вграден електрически еквалайзер, предава данни със скорост до 200 Gb/s.

Центърът за обработка на данни за AI трябва да прехвърля огромни обеми информация между чиповете, но не е лесно да се повиши скоростта на работа на такива връзки без увеличаване на енергопотреблението. Обичайните силициеви модулатори, които преобразуват електрическите сигнали в светлина, обикновено са доста големи — няколко милиметра — и или осигуряват ефективна модулация, или притежават високочестотни характеристики. Това се дължи на факта, че забавянето на светлината засилва взаимодействието ѝ с устройството, повишавайки ефективността, но електрическото съпротивление може да ограничи скоростта на реакция на модулатора. Новата конструкция взема решение за двете проблеми.

„Създадохме оптичен модулатор на базата на силициев фотонно-кристален вълновод, в който е вграден електрооптичен коректор; това ни позволи да преодолеем ограничението по отношение на пропускателната лента, като същевременно запазихме предимствата на ефекта на забавяне на светлината“, съобщи Тосихико Баба от Националния университет в Йокогама, един от авторите на изследването.

Изследователите обединиха два метода в едно силициево устройство. Фотонно-кристалният вълновод — миниатюрна структура, насочваща светлината вътре в силициевия чип — съдържа специално разположени миниатюрни отвори. Те контролират движението на светлината в материала, като я карат да се разпространява по-бавно, отколкото в обикновен вълновод.

Ефектът на бавната светлина

Този ефект на „бавната светлина“ усилва взаимодействието на светлината с устройството, благодарение на което дори малка електрическа промяна води до значителна промяна в изходния светлинен сигнал. В резултат се постига по-ефективна модулация при по-малки размери на устройството.

Само че електрическото съпротивление ограничава високочестотните характеристики на обичайните модулатори с „бавна светлина“, което пречи на бързата обработка на променящите се сигнали. За да преодолеят това ограничение, изследователите добавиха вграден електрооптичен еквалайзер, който помага на модулатора да работи с по-бързо променящи се сигнали. Той регулира начина на комбиниране на различните съставни части на светлинния сигнал, което позволява на устройството да запази ефективността си при по-високи скорости.

В резултат на това честотният диапазон на сигналите, с които устройството може да работи, се е увеличил: в една от конфигурациите — от 35 до 80 GHz, а в другата — от 23 до 55 GHz, съобщава IE.

Устройството е изработено чрез технологичен процес за 300-милиметрови пластини от типа „силиций върху изолатор“. Дължината на готовото устройство е едва 320 µm — включително основния блок и секцията за корекция — докато традиционните силициеви модулатори са с дължина 2–4 mm. Общата площ на устройството е приблизително 0,4 mm².

При използване на 11-канален еквалайзер с ниска сложност изследователите постигнаха скорост на предаване на данни от 140 Gb/s, като приложиха метода на манипулация чрез включване-изключване, при който данните се кодират с помощта на две нива на оптичния сигнал. Енергопотреблението на модулатора е 26 fJ на бит.

Прилагайки амплитудно-импулсна модулация с четири нива на сигнала (PAM-4), учените са постигнали скорост от 180 Gb/s без използване на цифрова обработка на сигнала. Добавянето на 11-канален еквалайзер от страна на приемателя позволи увеличаване на скоростта до 200 Gb/s, като при това енергопотреблението на модулатора възлиза на 63 fJ на бит.

„Най-забележителното е, че технологията „бавна светлина“ може да бъде реализирана с помощта на процеси, съвместими с CMOS технологията“, добавя Баба. — Това позволява едновременно да се осигурят висока скорост на работа, ниска консумация на енергия и компактни размери — точно това, което е необходимо за оптичните предаватели от ново поколение в центровете за данни, обслужващи системи за изкуствен интелект.“