Полностью программируемая оптическая обработка сигнала на кремниевом чипе.
Новый оптический чип обеспечивает сверхбыстрые вычисления и обработку данных. Создан с использованием кремниевой фотоники для сетей нового поколения.
Наступление эпохи больших данных создает серьезные проблемы для обработки информации, особенно с точки зрения обработки больших объемов данных и управления энергопотреблением. Эти проблемы еще больше усугубляются тем фактом, что более 90% данных передается с помощью световых волн, в то время как фактическая обработка по-прежнему происходит преимущественно в электрической области. Для устранения этого несоответствия были разработаны два основных подхода. Один из них включает в себя преобразование сигналов из оптических в электрические и обратно (оптическое-электрическое-оптическое, или преобразование O-E-O). Другой фокусируется на обработке данных полностью в оптической области, методе, известном как полностью оптическая обработка информации (AOSP).
В то время как преобразование O-E-O сталкивается со значительными ограничениями, включая ограничения, связанные с прозрачностью, и проблемы с достижением параллелизма с использованием оптоэлектронных компонентов, AOSP предлагает более масштабируемую альтернативу. При правильном использовании нелинейных процессов AOSP может повысить производительность системы с точки зрения сложности, стоимости и энергоэффективности. Интерес к AOSP восходит к 1980-м годам, когда он впервые был исследован с использованием объемных нелинейных устройств. Однако последние прорывы в области фотонной интеграции значительно ускорили ее развитие.
Среди различных платформ для интеграции кремниевая фотоника оказалась одной из наиболее перспективных для развития технологий AOSP.
Кремниевая фотоника поддерживает широкий спектр функциональных возможностей, которые тесно связаны с архитектурой современных оптических сетей. Чтобы соответствовать будущим требованиям, оптические сети должны продемонстрировать возможности 3П (прозрачность формата, прозрачность длины волны, прозрачность полосы пропускания), 3M (многофункциональный, многоканальный, многосетевой) и 3С (самовоспринимающийся, самообучающийся, самопринимающийся). Таким образом, достижение высокой степени реконфигурируемости и адаптируемости имеет важное значение как для будущих оптических сетей, так и для более широкого применения AOSP в системах, требующих сверхбольшой емкости.
Прорыв в разработке программируемых чипов AOSP
Совместная группа исследователей, в которую входят профессор Синьлян Чжан (Хуачжунский университет науки и технологии), профессор Икай Су (Шанхайский университет Цзяотун), профессор Кун Цю (Университет электронных наук и технологий Китая) и академик Нинхуа Чжу (Нанькайский университет), успешно разработала монолитно интегрированную, программируемую полностью оптическую микросхему обработки сигналов (AOSP). Этот чип поддерживает такие ключевые функции, как оптическая фильтрация, регенерация сигнала и логические операции.
Проект является результатом национальной инициативы, направленной на создание реконфигурируемых технологий AOSP на основе кремния.
Используя основные преимущества кремниевой фотоники, такие как совместимость с КМОП, минимальные потери сигнала, компактный форм-фактор и сильная оптическая нелинейность, исследователи создали чип, способный удовлетворить строгие требования оптических сетей следующего поколения.
К ним относятся высокая скорость передачи данных, совместимость с расширенными форматами модуляции и поддержка операций с прозрачной длиной волны. Команда экспериментально проверила способность чипа выполнять динамическую фильтрацию, логические вычисления и регенерацию сигнала, заложив прочную основу для его использования в передовых приложениях в области оптической связи, передовых вычислений, визуализации и зондирования.
Преодоление ограничений кремниевой фотоники
Разработка программируемой полностью оптической платформы обработки сигналов (AOSP) на основе технологии кремния на изоляторе (SOI) сопряжена с рядом технических препятствий. Одна из основных проблем заключается в том, что кремний проявляет эффекты, связанные с носителями, в частности, двухфотонное поглощение (TPA) и поглощение свободных носителей (FCA), которые ограничивают количество энергии, которое может быть использовано для нелинейных взаимодействий, тем самым ослабляя эти эффекты. Кроме того, контраст с высоким показателем преломления в кремнии приводит к жесткому ограничению светового поля, что увеличивает потери на рассеяние, затрудняет точный контроль распространения света и приводит к значительным оптическим и тепловым перекрестным помехам.
Чтобы преодолеть эти ограничения, исследователи внедрили усовершенствованные методы изготовления, инновационные структуры устройств и новые материалы. Одним из ключевых достижений является разработка кремниевых волноводов со сверхнизкими потерями и высококачественных микрорезонаторов с помощью усовершенствованных технологий производства. Эти компоненты поддерживают встроенные фотонные фильтры, которые обеспечивают широкую, реконфигурируемую полосу пропускания и настраиваемый свободный спектральный диапазон, что позволяет гибко и точно манипулировать входными световыми сигналами.
Функции фотонных чипов и связанные с ними научные задачи
Параллельно с этим были реализованы новые стратегии проектирования для усиления нелинейных оптических характеристик. К ним относятся такие структуры, как гребневые волноводы с обратному смещению PIN-переходов, щелевые волноводы, многомодовые волноводы и микрорезонаторы с симметричной связью по четному времени. Эти конфигурации позволяют реализовать ряд сложных функций AOSP. Например, логические операции со скоростью 100 Гбит/с были достигнуты с помощью специально разработанной однокристальной программируемой оптической логической матрицы. Платформа также поддерживает многомерную многозначную логическую обработку на основе четырехволнового смешивания. Кроме того, высокоэффективные кремниевые PIN-волноводы обеспечили надежную многоканальную регенерацию амплитуды и фазы в различных форматах сигналов, продемонстрировав потенциал пространственного масштабирования регенеративной способности.
Чтобы решить проблемы оптических и тепловых помех в плотно интегрированных системах, команда разработала передовые оптические макеты и методы упаковки. Эти инновации поддерживают компактные, многофункциональные чипы с низким энергопотреблением. В результате были реализованы четыре различных программируемых микросхемы AOSP: микросхема реконфигурируемого фотонного фильтра, микросхема логической обработки, микросхема многомерной регенерации и многоканальная многофункциональная микросхема AOSP в корпусе.
Метрики производительности чипов и перспективы на будущее
В этом исследовании освещается ключевой прогресс в разработке программируемых микросхем AOSP. Благодаря структурным инновациям и инновациям в области материалов были решены ключевые проблемы при создании крупномасштабных интегрированных фотонных чипов AOSP, такие как высокие потери передачи, слабые нелинейные эффекты, ограниченное управление оптическим полем, а также сильные оптические, электрические и тепловые перекрестные помехи. Потери кремниевого волновода со сверхнизкими потерями составляют всего 0,17 дБ/см, а Q-фактор достигает 2,1106.
Мы добились продвинутых интегрированных фильтров с полосой пропускания, которая может быть настроена от 0,55 пм до 648,72 пм (т.е. настроена более чем на три порядка), а также FSR, который может быть настроен от 0,06 нм до 1,86 нм (30 раз). Доказано, что абсолютная эффективность преобразования FWM достигает 12 дБ, и такая высокая эффективность имеет решающее значение для обеспечения успеха высокопроизводительной логики и операций регенерации.
Была достигнута восьмиканальная многофункциональная однокристальная интеграция фильтрации, логики и регенерации, объединяющая 136 устройств (включая фильтры, логические вентили, регенераторы, решетки, MMI, электроды и т. д.) на одном чипе. Было доказано, что общая производительность обработки сигнала составляет до 800 Гбит/с (при работе со скоростью 100 Гбит/с на канал) и может работать с несколькими форматами модуляции, включая DPSK и OOK. Для логических операций был сгенерирован полный набор CLU, а было доказано, что регенерация QPSK увеличивает чувствительность приемника более чем на 6 дБ. Благодаря использованию передовой технологии оптоэлектронной упаковки была проверена маршрутизация на уровне микросхем и обработка многоканальных сигналов.
Из-за присущей оптической нелинейности Керра сверхбыстрой (на фемтосекундных временных масштабах) эти усилия заложили основу для разработки и производства более крупных микросхем AOSP на основе кремния на более высоких скоростях. Ожидается, что усовершенствования в технологиях нанопроизводства, новых материалах и процессах упаковки еще больше повысят производительность и гибкость чипов AOSP, подчеркнув высокую эффективность и высокую плотность обработки информации в будущих классических и неклассических коммуникационных и вычислительных приложениях.