Достижения в области полностью оптической обработки сигналов для систем приемников следующего поколения

Введение в всеоптическую обработку сигналов

Современные телекоммуникационные сети и сети центров обработки данных сталкиваются с ненасытным спросом на пропускную способность, обусловленную потоковым видео, облачными вычислениями, Интернетом вещей (IoT) и новыми приложениями, такими как искусственный интеллект и автономные системы. Традиционная электронная обработка сигналов, которая требует преобразования оптического-электрического (O-E) и электрического-оптического (E-O) преобразования на каждом сетевом узле, вводит задержку, потребление энергии и узкие места пропускной способности, которые ограничивают масштабирование. Всеоптическая обработка сигналов устраняет эти ограничения, полностью манипулируя световыми сигналами в оптической области, устраняя необходимость повторного преобразования. Используя нелинейные оптические явления и расширенную фотонную интеграцию, полностью оптическая обработка позволяет повысить скорость передачи данных, снизить задержку и значительно повысить энергоэффективность, что делает ее критической технологией для систем приемников следующего поколения.

Основное преимущество полностью оптической обработки заключается в ее способности работать со скоростью света, с минимальным тепловым рассеиванием и отсутствием ограничений электронной полосы пропускания. Этот подход напрямую поддерживает скорость передачи терабит в секунду и совместим с существующей волоконно-оптической инфраструктурой. Поскольку сетевые операторы продвигаются к 800G, 1,6T и далее, полностью оптическая обработка сигналов предлагает путь для реализации этих целей производительности без штрафов за масштабирование, связанных с электроникой.

Современные технологические достижения в области всеоптической обработки

Значительный прогресс был достигнут в разработке компактных, эффективных и масштабируемых подсистем для обработки оптики, которые были разработаны благодаря прорывам в интегрированных фотонных схемах, новым нелинейным оптическим материалам и новым архитектурам устройств.

Интегрированные фотонные схемы: миниатюризация и масштабируемость

Интегрированные фотонные схемы (PIC) находятся на переднем крае полностью оптической обработки. Производя волноводы, модуляторы, преобразователи длины волны и переключатели на одном чипе с использованием полупроводниковых технологий, PIC резко снижают требования к размеру, весу и мощности по сравнению с оптикой массового производства. Силиконовая фотоника, используя установленную инфраструктуру изготовления CMOS, стала ведущей платформой для PIC из-за ее низкой стоимости и высокой плотности интеграции. Однако кремний обладает слабыми нелинейными оптическими свойствами, поэтому исследователи разработали гибридные подходы, сочетающие кремний с такими материалами, как нитрид кремния, арсенид алюминия галлия (AlGaAs) или халькогенидные стекла, которые демонстрируют более сильную нелинейность.

Недавние демонстрации показали полные модули регенерации полностью оптического сигнала на одном чипе, включая такие функции, как 2R регенерация (реплицирование и переформатирование) и 3R регенерация (реплицирование, переформатирование и ретимирование). Например, исследование 2023 года, опубликованное в Nature Photonics , продемонстрировало кремниево-органический гибридный PIC, способный к преобразованию всей оптической длины волны на 320 Gbaud с безпенсовой работой [link] . Такие устройства необходимы для будущих реконфигурируемых оптических сетей, где требуется назначение и маршрутизация динамической длины волны.

Нелинейные оптические эффекты: двигатель всеоптической обработки

Способность выполнять обработку сигналов в оптической области в значительной степени зависит от нелинейных оптических эффектов. Наиболее широко используемые эффекты включают:

Достижения в области материаловедения были критическими. Например, исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре разработали многослойный волновод дисульфида молибдена (MoS2), который демонстрирует рекордно высокую нелинейность третьего порядка, что позволяет эффективно конвертировать длину волны всего с несколькими милливаттами мощности насоса . Аналогично, высококонфинментные нитридные волноводы кремния, производимые COMS-совместимыми процессами, теперь достигают эффективности преобразования FWM больше, чем 0 дБ более 100 нм полосы пропускания.

Всеоптическое переключение и маршрутизация

Оптические переключения являются основополагающей функцией для любого полностью оптического приемника или сетевого узла. Традиционные переключатели, развернутые сегодня, полагаются на электронное управление, создавая узкое место при обработке взрывного высокоскоростного трафика. Всеоптические переключатели, основанные на нелинейных эффектах или сверхбыстрых электрооптических материалах, могут перенастраиваться в пикосекундах или быстрее. Последние демонстрации включают:

Эти технологии коммутации необходимы для систем приемников следующего поколения, которые должны обрабатывать гибкие, агностические и оптические пути с низкой задержкой.

Последствия для систем приемников следующего поколения

Интеграция полностью оптической обработки сигнала непосредственно в системы приемника дает глубокие преимущества производительности. Наиболее непосредственным воздействием является устранение электронного узкого места на переднем конце приемника. В обычных когерентных приемниках входящий оптический сигнал обнаруживается фотодиодами, преобразуется в электрическую область, а затем обрабатывается высокоскоростными аналого-цифровыми преобразователями (ADC) и чипами цифровой обработки сигнала (DSP). Эти электронные компоненты потребляют значительную мощность и становятся все более дорогими и сложными, поскольку скорость бод приближается к 100+ Гбо.

Выполняя такие функции, как оптическая демультиплексация, конвертация длины волны, компенсация хроматической дисперсии, и регенерация сигнала полностью оптической дисперсии перед обнаружением, электронное бремя приемника существенно снижено.Например, продемонстрировано полностью оптическая демультиплексация оптического мультиплексированного сигнала с разделением времени (1,28 Тбит/с) в 10 Гбит/с каналов, что позволяет обрабатывать каждый канал относительно низкоскоростной электроникой.Так же, полностью оптическая регенерация может очищать нарушения от передачи на дальние расстояния, улучшая скорость битовых ошибок (BER) перед фотоприемником, что ослабляет требования к прямой коррекции ошибок (FEC) и уменьшает задержку.

Другие преимущества на уровне получателей включают:

  • Сокращение потребления энергии: Всеоптическая обработка позволяет избежать накладных расходов энергии на преобразование O-E-O. Оценки показывают, что полностью интегрированный полностью оптический приемник может потреблять в 5-10 раз меньше энергии на бит, чем эквивалентный цифровой когерентный приемник на 800 Гбит/с, на основе текущих исследовательских прогнозов из европейского проекта ICT-ALLEGRO.
  • Низкая задержка : Поскольку свет проходит примерно 200 миллионов метров в секунду в волокне, полностью оптическая обработка вводит только задержки распространения (пикосекунды до наносекунд). Электронная обработка, даже с самыми быстрыми ADC и DSP, добавляет микросекунды к миллисекундам задержки, что неприемлемо для высокочастотной торговли, удаленной хирургии или промышленной автоматизации.
  • Более высокая пропускная способность данных: Всеоптические методы могут обрабатывать мультитерабитную совокупную пропускную способность без перекрестного канала, используя мультиплексирование с разделением длины волны (WDM) и мультиплексирование с поляризацией одновременно. Например, полностью оптический преобразователь длины волны на основе FWM может одновременно обрабатывать 100+ WDM-каналов через диапазон C+L.
  • Гибкость и реконфигурируемость: Все оптические передние концы приемника могут быть запрограммированы для различных форматов модуляции (QPSK, 16QAM, 64QAM) и скорости передачи данных путем регулирования длин волн насоса или напряжений смещения, обеспечивая перспективную платформу для развивающихся стандартов.

Заметным примером является разработка полностью оптического приемника, который интегрирует прямое обнаружение с оптическим фазовым поиском. Исследователи из Nokia Bell Labs продемонстрировали приемник, который использует фотонный чип для преобразования фазово-модулированных сигналов в паттерны интенсивности, устраняя необходимость в локальном осцилляторе и когерентной электронике обнаружения. Этот подход резко снижает сложность и мощность при сохранении высокой чувствительности .

Будущие вызовы и возможности

Несмотря на значительный прогресс, остается несколько препятствий, прежде чем полностью оптическая обработка сигнала достигнет широкого коммерческого развертывания в системах приемников.

Материальная эффективность и нелинейность

Большинство нелинейных оптических эффектов требуют либо длительных длин взаимодействия (например, километров волокна), либо высоких пиковых мощностей. В то время как интегрированные волноводы повышают нелинейность за счет жесткого замыкания, эффективность остается скромной по сравнению с электронными транзисторами. Разработка материалов с более высокими нелинейными коэффициентами третьего порядка, более низкими потерями поглощения и высокими порогами оптических повреждений является приоритетом. Новые материалы включают графен и другие двумерные материалы, плазмонные наноструктуры и органические полимеры с инженерными нелинейностями. Например, графен показал гигантский коэффициент Керра, но потери распространения в волноводах на основе графена по-прежнему непомерны для практических устройств.

Плотность масштабирования интеграции

Сложные полностью оптические процессоры могут потребовать сотни функциональных блоков (преобразователи длин волн, переключатели, регенераторы, фильтры) на одном чипе. Текущие PIC-платформы могут вместить примерно 10-100 компонентов, что намного ниже тысяч транзисторов на небольшом электронном чипе. Необходимы достижения в крупномасштабной фотонной интеграции, аналогичной электронной революции VLSI. Это включает в себя улучшенное изготовление вафельного масштаба, активную бесконтактную связь и монолитную интеграцию лазеров, детекторов и модуляторов. Силиконовая фотоника с гетерогенной интеграцией материалов III-V является многообещающим путем.

Надежная интеграция и упаковка системы

Всеоптические модули должны выдерживать тепловые, механические и экологические нагрузки в телекоммуникационных и ЦОД. Упаковка, обеспечивающая связь с низкими потерями волокон-чипов, термостабилизация (например, нагреватели или охладители Peltier), и гермитическое уплотнение добавляет стоимость и сложность. Последние разработки в области микрооптической технологии стендов и полимерных волноводных соединителей снижают затраты на упаковку, но необходимы дальнейшие инновации для достижения недорогого, объемного производства.

Сокращение расходов

В настоящее время многие полностью оптические компоненты (например, халькогенидные нанопроводные волноводы, периодически полемированные ниобатные модуляторы лития) изготавливаются с использованием специализированных малообъемных процессов. Для конкуренции с электронными альтернативами стоимость одного функционального элемента должна упасть на порядки. Для этого потребуются цепочки поставок материалов, услуги литейного цеха и инструменты автоматизации проектирования, адаптированные для фотонных интегральных схем. Появление многопроектной пластины (MPW) работает для кремниевой фотоники, но материалы за пределами кремния нуждаются в аналогичной инфраструктуре.

Стандартизация и совместимость

Для развертывания полностью оптических приемников в сетях с несколькими поставщиками промышленность должна согласовать стандартизированные интерфейсы для формата длин волн, мощности и модуляции. Такие организации, как Оптический форум по работе с Интернетом (OIF) и Международный союз электросвязи (МСЭ), начали определять требования к подключаемым когерентным модулям, но все оптические элементы обработки еще не охвачены. Для предотвращения фрагментации необходимы скоординированные усилия.

Возможности впереди

Траектория обработки полностью оптического сигнала ясна: дальнейший прогресс в материалах, интеграции и проектировании системы постепенно преодолеет эти проблемы.

  • Машинное обучение-приводная оптимизация : алгоритмы ИИ могут оптимизировать рабочие точки всех оптических устройств, компенсируя изменения в производстве и окружающей среде. Эта возможность «самонастройки» может сделать все оптические модули более надежными и простыми в развертывании.
  • Фотонные нейронные сети: Всеоптические нелинейности по своей сути подходят для реализации аналоговых нейронных сетей. Ранние демонстрации показали оптические нейроморфные чипы, которые выполняют распознавание образов на скоростях, приближающихся к 10 ГГц, с энергоэффективностью на порядок лучше, чем электронные графические процессоры. Такие сети могут быть интегрированы в приемники следующего поколения для интеллектуального выравнивания сигналов и смягчения нарушений.
  • Квантовая оптическая обработка : Всеоптические методы также являются основой для квантовой связи и вычислений. Достижения в нелинейных волноводах с низкими потерями и однофотонных детекторах будут лежать в основе будущих систем распределения квантовых ключей (QKD) и квантовых ретрансляторов.
  • Космос и оборонные приложения: Свободно-космические оптические линии связи, используемые в спутниковой связи и беспилотных летательных аппаратах, получают выгоду от полностью оптической обработки, поскольку она устраняет необходимость в тяжелой, энергоемкой электронике. Легкие PIC могут обеспечить управление лучом, адаптивную оптику и усиление сигнала полностью в оптической области.

По мере ускорения исследований, всеоптическая обработка сигналов готова стать краеугольным камнем оптических систем связи следующего поколения, обеспечивая более быструю, эффективную и надежную передачу данных по всему миру. Переход от лабораторных прототипов к полевым системам потребует постоянных инвестиций, междисциплинарного сотрудничества и готовности заменить устоявшиеся электронные парадигмы на принципиально оптические. Выгоды - в пропускной способности, экономии энергии и сокращении задержки - огромны и определят будущее глобальной связи.