用于可扩展数据传输的Kerr Combs驱动器光学连接
发布时间：2023-07-12 08:00:00 阅读数： 100
运行人工智能程序（如大型语言模型）的系统面临着 "带宽瓶颈"，这可能会限制它们在节点之间传输的数据量。利用光在数据中心节点和高性能计算机之间传输信息，可以增加这些系统的可用带宽，同时降低能耗。
为了克服限制计算系统性能和可扩展性的带宽约束和高能耗成本，哥伦比亚大学工程学院、傅氏基金会工程与应用科学学院的研究人员开发了一种基于克尔梳驱动的硅光子芯片数据通信链路，用于数据传输。
这种毫米级硅光子链路使用克尔频率梳和波分复用技术，在输入源接收一种颜色的光，在输出端产生多种颜色的光。光子链路不需要为每种波长的光使用不同的激光器，而只需要一个激光器就能产生数百种不同波长的光，从而可以同时传输独立的数据流。
安装在印刷电路板上的光子发射器芯片，带有电气和光纤连接。光波研究实验室/哥伦比亚工程公司提供。
使用克尔频率梳可以通过不同的波长发送清晰的信号，从而使硅光子芯片能够通过光缆传输大量数据，连接可能相距1公里以上的节点。该系统可大规模扩展至数百个波长通道，从而支持未来高能效、超大规模数据中心的并行光互连。
"Keren Bergman教授说："我们认识到，这些设备是光通信的理想光源，可以在每种颜色的光上编码独立的信息通道，并通过单根光纤传播。
为了建立光子链路，研究人员将所有光学元件微型化，安装在每条边缘大约几毫米的芯片上，用于产生光，用电子数据对其进行编码，并在目标节点将光学数据转换回电信号。
该链路的光子电路结构允许每个信道单独进行数据编码，并将邻近信道的干扰降至最低，以防止不同颜色的信号变得混杂，使接收器难以将其转换成电子数据。
基于克尔频率梳驱动硅光子链路的分解数据中心的分层结构示意图。光波研究实验室/哥伦比亚工程公司提供。
在实验中，研究人员对32种不同波长的光进行了每波长16Gbit/s的传输，结果表明单光纤总带宽为512Gbit/s，一万亿比特的传输数据中误差不到1比特。传输数据的硅芯片尺寸仅为4×1毫米，接收光信号并将其转换为电信号的芯片尺寸仅为3×1毫米。
"研究员Anthony Rizzo说："虽然我们在原理验证演示中使用了32个波长通道，但我们的架构可以扩展到容纳100多个通道，这完全在标准克尔梳设计的能力范围之内。
研究人员还通过实验证实，与相同波长的可调谐连续波激光源相比，产生的梳状线的功率损失可以忽略不计，这表明每个音调的表现与来自激光阵列的独立连续波载波相同。
由于结构紧凑，硅光子芯片可以直接与计算机电子芯片连接。这降低了节点间数据传输的能耗，因为数据电信号的传播距离只有几毫米，而不是几十厘米。这种芯片可以用制造标准消费类笔记本电脑或手机中的微电子芯片的相同设备制造，从而使批量生产和实际部署更加直接。
"我们的方法比同类方法更紧凑、更节能，"Rizzo说。"由于氮化硅梳状代工芯片可以在用于制造微电子芯片的标准CMOS代工厂中制造，而不是在昂贵的专用III-V代工厂中制造，因此成本更低，也更容易扩展。
能够在32个独立频率信道上进行数据编码的光子集成芯片，尺寸为一角硬币大小。光波研究实验室/哥伦比亚工程公司提供。
这种可扩展的、由克尔梳驱动的硅光子链路可使系统传输的数据成倍增加，而无需使用成比例的更多能量。它为数据中心互联提供了一种前景广阔的现实方法，可扩展至数百个波长通道，使未来的多T比特/秒芯片到芯片链路以低能耗运行。
"Bergman说："这项工作所展示的是一条可行的道路，既能大幅降低系统能耗，同时又能将计算能力提高几个数量级，从而使人工智能应用在对环境影响最小的情况下继续以指数级速度增长。
哥伦比亚大学工程团队下一步将把光子技术与芯片级驱动和控制电子技术相结合，进一步实现系统微型化。
这项研究还证明了克尔频率梳作为光互联源的优点，使其成为下一代数据中心和高性能计算机节点间集成的实用方法。
