Un modulatore ottico in silicio lungo appena 320 micrometri ha trasmesso dati fino a 200 gigabit al secondo, consumando 63 femtojoule per bit. Il dispositivo, sviluppato in Giappone, combina una struttura che rallenta la luce con un equalizzatore elettrico integrato, una soluzione pensata per superare i limiti di velocità dei modulatori compatti. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Nature Communications.
I modulatori ottici convertono i segnali elettrici in luce, che può trasportare dati. Nei data center, dove i chip devono scambiarsi grandi quantità di informazioni, aumentare la velocità delle connessioni senza far crescere i consumi è una sfida. I modulatori convenzionali in silicio, spesso lunghi diversi millimetri, devono inoltre bilanciare l’efficienza della modulazione e le prestazioni alle alte frequenze.
Il gruppo ha realizzato il dispositivo con una guida d’onda a cristallo fotonico: una struttura microscopica che convoglia la luce nel silicio e contiene una disposizione precisa di piccoli fori. Questa geometria fa propagare la luce più lentamente rispetto a una guida d’onda convenzionale. La cosiddetta «luce lenta» interagisce più a lungo con il dispositivo, così una piccola variazione elettrica può produrre un cambiamento più marcato nel segnale luminoso. In questo modo la modulazione risulta più efficiente in uno spazio ridotto.
La resistenza elettrica, però, può rallentare la risposta del modulatore e limitarne il funzionamento alle alte frequenze. Per affrontare il problema, i ricercatori hanno integrato un equalizzatore elettro-ottico, che modifica il modo in cui si combinano le componenti del segnale e aiuta il dispositivo a gestire variazioni più rapide. Con questa soluzione, la gamma di frequenze utilizzabili è passata da 35 a 80 gigahertz in un progetto e da 23 a 55 gigahertz in un altro.
«Abbiamo realizzato un modulatore ottico con guida d’onda a cristallo fotonico in silicio, integrando un equalizzatore elettro-ottico per superare il limite di banda e mantenere i vantaggi dell’effetto della luce lenta», ha dichiarato Toshihiko Baba, autore dello studio e professore alla YOKOHAMA National University.
Il dispositivo è stato prodotto con un processo su silicio su isolante da 300 millimetri. Misura 320 micrometri in lunghezza, comprese le sezioni principali e quelle dell’equalizzatore, mentre i modulatori convenzionali in silicio di tipo Mach-Zehnder sono lunghi in genere da 2 a 4 millimetri. L’intero componente, elettrodi inclusi, occupa circa 0,4 millimetri quadrati.
Negli esperimenti, con un equalizzatore a 11 tap — cioè con 11 elementi che correggono il segnale — sul ricevitore, il gruppo ha raggiunto 140 gigabit al secondo usando la codifica on-off keying. In questo metodo i dati sono rappresentati da due livelli del segnale luminoso. Il modulatore ha consumato 26 femtojoule per bit: un femtojoule è un milionesimo di miliardesimo di joule.
Con la modulazione di ampiezza degli impulsi a quattro livelli, o PAM-4, i ricercatori hanno ottenuto 180 gigabit al secondo senza elaborazione digitale del segnale (DSP). Aggiungendo l’equalizzatore a 11 tap sul ricevitore, la velocità è salita a 200 gigabit al secondo, con un consumo del modulatore di 63 femtojoule per bit.
«L’aspetto migliore è che la luce lenta può essere realizzata con processi compatibili con la tecnologia CMOS, soddisfacendo al tempo stesso i requisiti di alta velocità, bassi consumi e ingombro ridotto, e rispondendo alle esigenze dei trasmettitori ottici di nuova generazione per i data center dedicati all’intelligenza artificiale», ha aggiunto Baba. La compatibilità con i processi CMOS, usati per produrre circuiti integrati, potrebbe evitare fasi di fabbricazione specializzate richieste da alcuni materiali alternativi, come il niobato di litio a film sottile.
Restano tuttavia alcuni ostacoli. La perdita ottica di inserzione, cioè la diminuzione dell’intensità della luce mentre attraversa il dispositivo, è ancora relativamente elevata: tra 11,7 e 15,5 decibel. Negli esperimenti è stata compensata con un amplificatore ottico; per un impiego pratico sarebbe utile ridurla ottimizzando il progetto.
Il gruppo intende anche ampliare la gamma di lunghezze d’onda gestibili, così da rendere possibile, in prospettiva, il funzionamento simultaneo di più canali ottici. I ricercatori stimano che 16–32 canali potrebbero sostenere una capacità complessiva di 3,2–6,4 terabit al secondo, ma si tratta di una previsione, non di una prestazione dimostrata. «Riteniamo che questa architettura possa costituire un elemento promettente per le future ottiche co-confezionate nei data center ad alta densità», ha dichiarato Baba.
Fonte: interestingengineering.com
