Black Baron

Японские исследователи создали компактный кремниевый оптический модулятор, который передаёт данные со скоростью до 200 Гбит/с. Устройство использует эффект замедленного распространения света и встроенный электрический эквалайзер. Разработка нацелена на решение двух ключевых проблем дата-центров — низкой скорости соединений и высокого энергопотребления.

В чём проблема обычных модуляторов

Центрам обработки данных для ИИ нужно постоянно перемещать огромные объёмы информации между чипами. Обычные кремниевые модуляторы, преобразующие электрические сигналы в свет, часто имеют длину несколько миллиметров. Ускорить их работу без роста энергопотребления сложно: замедление света усиливает взаимодействие с устройством и повышает эффективность, но электрическое сопротивление ограничивает высокочастотные характеристики.

Как устроена новая конструкция

Команда под руководством Тосихико Бабы из Национального университета Йокогамы объединила два подхода. Основу составляет фотонно-кристаллический волновод — миниатюрная кремниевая структура с крошечными отверстиями. Они заставляют свет распространяться медленнее, чем в обычном волноводе.

Эффект «медленного света» усиливает взаимодействие света с материалом: даже небольшое электрическое изменение заметно влияет на выходной оптический сигнал. Благодаря этому модуляция становится эффективнее, а само устройство — компактнее.

Чтобы снять ограничение по полосе пропускания, исследователи добавили встроенный электрооптический эквалайзер. Он корректирует способ объединения составляющих светового сигнала и позволяет работать с более быстро меняющимися данными. В результате частотный диапазон вырос: в одной конфигурации — с 35 до 80 ГГц, в другой — с 23 до 55 ГГц.

Размеры и результаты

Устройство изготовлено по технологии «кремний на изоляторе» на 300-миллиметровых пластинах. Его длина — всего 320 мкм (включая секцию коррекции), площадь — около 0,4 мм². Для сравнения, традиционные кремниевые модуляторы обычно имеют длину 2–4 мм.

При использовании 11-отводного эквалайзера низкой сложности достигнута скорость 140 Гбит/с в режиме on-off keying при энергопотреблении 26 фДж на бит. С амплитудно-импульсной модуляцией PAM-4 удалось получить 180 Гбит/с без цифровой обработки сигналов, а с простым эквалайзером на приёмной стороне — 200 Гбит/с при 63 фДж на бит.

Важное преимущество: технологию можно реализовать с помощью процессов, совместимых с КМОП. Это открывает путь к массовому производству компактных и энергоэффективных оптических передатчиков.

Кремниевый модулятор на основе «медленного света» показывает, что высокую скорость, низкое энергопотребление и малые размеры можно совместить в одном устройстве. Для дата-центров, обслуживающих системы искусственного интеллекта, такие решения особенно актуальны: они позволяют плотнее размещать оптические соединения и снижать энергозатраты на передачу данных.

Пока разработка находится на уровне лабораторной демонстрации. Однако совместимость с КМОП-процессами и достигнутые 200 Гбит/с делают её перспективным кандидатом для оптических интерфейсов следующего поколения.