Фотонная временная линза обеспечит связь на 270 Гбит/с

Исследователи из Корнельского университета (Cornell University) разработали простое кремниевое устройство для увеличения пропускной способности оптических каналов. Оно включает кремниевый чип, названный "временная линза", оптический кабель и лазер и действует следующим образом: разбивает поток данных, кодированных на скорости 10 Гбит/с, объединяет его снова и на выходе скорость составляет уже 270 Гбит/с. Обычно повышение этого параметра требует большого количества энергии и применения массивной и дорогостоящей оптики. Новая система энергоэффективна и интегрирована на компактном чипе. Использовать разработку можно для передачи больших объёмов информации по Интернету или через оптические соединения внутри компьютеров.
В большинстве сегодняшних телекоммуникационных системах данные кодируются на скорости 10 Гбит/с. Пытаясь добиться большего, инженеры столкнулись с проблемой. "Как только вы подбираетесь к очень высоким значениям пропускной способности, нет простого способа кодировать данные", - объясняет профессор Корнельского университета Александр Гета (Alexander Gaeta), который трудится над устройством вместе с доцентом электрической и компьютерной инженерии Майклом Лайпсоном (Michal Lipson)". Новое устройство может стать критически важным шагом в совершенствовании применимых на практике оптических чипов. С ускорением электроники "энергопотребление становится сдерживающим фактором, особенно на уровне микросхем, - говорит профессор Керен Бергман (Keren Bergman). – Вы не можете заставить ноутбук работать быстрее, не подумав об охлаждении". Верхний предел электроники – около 100 ГГц. Оптические компоненты способны заставить компьютеры функционировать быстрее без сопровождающего лишнего тепла, но из-за природы света – фотоны не стремятся взаимодействовать – формирование оптических сигналов на высокой скорости забирает большое количество энергии.

Новый сверхбыстрый модулятор обходит проблему благодаря сжатию данных, кодированных обычным оборудованием, до сверхвысоких скоростей. Устройство называют "временной линзой", или "временным телескопом" ("time telescope"). Если обычная линза изменяет пространственную форму световой волны, то временная постоянно растягивает или сжимает её. Профессор прикладных наук в области электроники и компьютерной инженерии Брайан Кёльнер (Brian Kolner) из Калифорнийского университета (University of California) заложил теоретические основы таких линз в 1988 году, работая в Hewlett-Packard. Он создал образец в 1990-х годах, но прототип нуждался в дорогостоящем модуляторе на кристалле, отбиравшем много энергии. Работа корнельской команды, по словам Кёльнера, является "ощутимым шагом вперёд в преодолении препятствий на пути к практическому использованию".

Более подробно описание системы выглядит следующим образом. Сначала сигнал кодируется лазерным излучением обычным модулятором. Световой сигнал затем поступает в разработанный чип через кольцо из оптоволокна, переносящее его на наномасштабные кремниевые волноводы. Как аккорд на гитаре слагается из нот от разных струн, так и сигнал состоит из многих частот света. В пределах чипа он взаимодействует с излучением лазера, что приводит к его разделению на частотные компоненты. Свет проходит через другой отрезок кабеля ещё в один волновод, где взаимодействует с излучением от такого же лазера. В процессе сигнал собирается, но с изменённой фазой. Из чипа он выходит уже на скорости 270 Гбит/с. Физика сложная, но чистый эффект, говорит Бергман, позволяет "взять медленный поток битов и значительно его ускорить". Временной телескоп передаёт больше данных за меньшее время, и процесс энергоэффективен, потому как вся требуемая мощность – это питание лазера.

Корнельское устройство – одно из серии недавних прорывов в кремниевой фотонике. "Кремний – замечательный материал для электроники, и в течение долгого времени воспринимался как сомнительный для оптики, - рассказывает Гета. За прошедшие пять лет исследователи перевернули такое представление. В 2005 году учёные из Intel создали быстродействующий кремниевый лазер, позже другие оптические компоненты, включая модуляторы, были произведены из этого же материала. - Люди продолжают считать, что необходимо заменить кремний для сверхбыстрых процессов, но именно он может стать выходом".

Применение кремния имеет два преимущества. Во-первых, производители уже имеют инфраструктуру для изготовления устройств из Si. "Вы можете задействовать все технологии, которые были разработаны для электроники, чтобы выпускать оптические устройства", - отмечает Гета. Раз оптика и электроника производятся из одного материала, будет гораздо проще интегрировать их на одном чипе, и каждый компонент будет выполнять лучшее, на что способен: электронный – обрабатывать данные, оптический – осуществлять сверхбыструю передачу.