通過互聯網傳輸更多信息的需求正持續爆發性增長，利用新的技術來進一步推動數據速率顯得尤為關鍵。

眾所周知，數據中心的運作方式是在眾多的單個處理器和存儲庫之間高速傳輸大量信息。以往，這類傳輸都采用電信號連接，但如今，光通信更高的頻率和更低損耗可以使傳輸更快、更有效。但可惜的地方在于，光互連目前需要每個數據通道單獨的激光器，因此它需要消耗大量的能量。

讓人驚喜的是，近日一個國外聯合研究團隊展示了一種硅基光通信鏈路，它結合了兩種多路復用技術，可創建40個可同時移動數據的光數據通道。這種新的芯片級光互連可以每秒傳輸約400Gb的數據，有望大幅改善數據密集型的互聯網應用。

模分復用器可將10種波長中的每一種轉換成4種不同形狀的新光束，從而創造出40通道光通信鏈路。（圖片來源：Stanford University）

在介紹這種新的光通信鏈路時，研究人員表示它主要是將美國國家標準與技術研究所(NIST)開發的新型光子晶體諧振器的頻率梳光源與斯坦福大學研究人員設計的優化模分復用器相結合，從而實現了40個通道并行傳輸信息。每個頻道都可以用來攜帶信息，就像不同的立體聲頻道或頻率可以對不同的音樂電臺進行傳輸播報那樣。

在整個過程中，研究團隊使用一個新穎的光子晶體諧振器和一個反向設計的波導結構來實現波分復用和模分復用。

該方案的前半部分包括一個由五氧化鉭微米級環制成的頻率梳，自由光譜范圍為400 GHz。頻率梳產生非常短暫的光脈沖，在頻域中由大量狹窄的、等間距的“梳齒”組成。

與此同時，斯坦福大學的團隊已經設計和建造了一個新的設備來進行模分多路復用。該設備通過將來自四個500 nm單模波導的光在一個1800 nm寬的波導中復用到多模光(電場的多個正交方向)來創建多個數據通道，然后在輸出端將其解復用回單模波導。這四個信道中的每一個單獨包含所有通過波分復用創建的信道。

據介紹，研究人員通過在絕緣體上220nm厚的硅層上刻蝕非常精確的圖案來制造多路復用器和解路復用器。他們使用一種反設計，包括迭代計算梯度來匹配器件結構和期望輸出，從而計算出這些非直觀的介電常數分布——允許他們在保持較小效率的同時最大化器件的效率。

為了同時演示這兩種設備，研究人員利用了連續波激光器泵浦頻率梳，只選擇10個產生的頻率通道，并將它們集中到兩組，以演示使用一對工作在10Gbit/s的強度調制器同時編碼。結合兩個數據通道(同時在它們之間引入延遲)，將它們放大并將功率分成四個不同的輸出，然后將信號通過模分復用器和解復用器，然后用一個光接收機和兩個放大器測量輸出。

研究人員使用分析儀來測量出錯的頻率。經觀測發現，在40個頻道中，有34個頻道的傳輸比特的錯誤值不到萬億分之一(1012)，其余6個通道錯誤率則高達100億分之一。因此，這種光通信鏈路的總體傳輸速率為400Gbit/s，無錯傳輸速率為340Gbit/s。

這項新工作由賓夕法尼亞大學的Firooz Aflatouni、NIST的Scott B. Papp、斯坦福大學的Jelena Vuckovic和中佛羅里達大學光學與光子學(CREOL)的Delfyett領導的研究團隊共同完成。它是DARPA光子學項目“極端可擴展性包”(PIPES)的一部分，該項目旨在利用光極大地改善封裝集成電路的數字連接，使用基于微梳的光源。

除了改善互聯網數據傳輸，這項新技術還可以用于制造更快的光學計算機，為人工智能、機器學習、大規模仿真和其他應用提供高水平的計算能力。