Учёные из Пекинского университета и их коллеги разработали единую фотонную платформу, способную работать на расстояниях от соединений внутри дата-центров до магистральных линий протяжённостью в тысячи километров. В эксперименте система обеспечила суммарную скорость передачи 81,92 Тбит/с по оптоволокну длиной 1 км без оптических усилителей. В отдельном испытании с усилителями исследователи передали данные на расстояние 4400 км.
До сих пор оборудование для коротких и длинных оптических линий строилось по разным принципам. В дата-центрах широко применяется передача с модуляцией интенсивности света и прямым детектированием: она проще и дешевле, но ограничена по спектральной эффективности. Для магистральных сетей используют когерентную передачу, при которой приёмник анализирует не только интенсивность, но и фазу оптического сигнала. Это позволяет применять более сложные схемы модуляции и передавать больше данных. Различия в оборудовании затрудняют создание единой сети: при переходе между сегментами могут потребоваться преобразование сигнала из оптического в электрический и обратно, дополнительные вычисления и регенерация.
В основе новой системы лежит гибридный лазер с внешним резонатором. Его усиливающая часть изготовлена на основе фосфида индия, а внешний оптический резонатор — из нитрида кремния, материала с очень низкими потерями. Такая конструкция позволила совместить высокую мощность излучения с узкой спектральной линией. Лазер выдаёт до 70 мВт оптической мощности, имеет ширину линии менее 1 кГц и максимальную эффективность преобразования электрической энергии в оптическую 13,7%. Диапазон перестройки длины волны достигает 102 нм. В паре с ним работают кремниевые фотонные передатчик и приёмник, содержащие модуляторы и фотодетекторы.
Источник изображения: сгенерировано Muse
В тестах на короткой линии длиной 1 км задействовали 256 отдельных каналов с разными длинами волн. Каждый передавал данные со скоростью 320 Гбит/с, а общая пропускная способность достигла 81,92 Тбит/с. Для этого использовалась двухполяризационная модуляция DP-16QAM со скоростью 40 Гбод [гигабод, означает, что передающее устройство изменяет состояние сигнала (амплитуду, частоту или фазу) 40 миллиардов раз в секунду]. Высокой мощности лазера оказалось достаточно, чтобы обойтись без оптического усилителя на всём протяжении этой линии.
Второй эксперимент показал возможности платформы на больших расстояниях. При передаче со скоростью 184 Гбит/с на канал с использованием модуляции QPSK сигнал прошёл 4400 км по испытательной линии с оптическими усилителями. При более сложной модуляции 16QAM система обеспечила 368 Гбит/с на расстоянии 1375 км. Таким образом, одна архитектура поддерживает разные режимы передачи в зависимости от требуемого сочетания скорости и дальности.
Ещё одна особенность разработки — быстрое переключение между каналами. В эксперименте лазер менял рабочую длину волны менее чем за 5 мкс, а передача данных восстанавливалась за 14 мкс. При этом оптическая мощность стабилизировалась значительно медленнее — примерно за 58 мкс, но для возобновления связи ждать полной стабилизации не требовалось. Такая скорость переключения может быть полезна в сетях с переменной нагрузкой: оборудование сможет быстрее переносить трафик с перегруженных каналов на свободные.
Сейчас это экспериментальная демонстрация, а не готовая замена существующей инфраструктуре. Авторы отмечают, что для дальнейшего увеличения скорости потребуются более быстрые модуляторы, снижение потерь в передающей части и совершенствование интеграции компонентов. Тем не менее работа показывает, что когерентную кремниевую фотонику можно использовать не только в магистральных сетях, но и для высокоскоростных соединений на коротких расстояниях — включая обмен данными внутри крупных вычислительных и ИИ-кластеров.
