Поляризационные лазеры ускорят передачу данных в пять раз
Новая разработка ученых из Германии в области маломощной оптоэлектроники сможет в перспективе обеспечить обмен данными на скорости 240 Гб/с.
Поляризация вместо коммутации
Группа ученых из Рурского университета в Бохуме, Германия, объявила об успешном тестировании новой электронно-фотонной технологии для высокоскоростной передачи данных. В перспективе разработка позволит увеличить пропускную способность каналов обмена данными в пять и более раз.
В качестве носителя информации в прототипе новой системы используются обычные полупроводниковые лазеры. Разница – в технике модуляции светового сигнала. Вместо традиционной для таких систем модуляции с помощью изменения интенсивности излучения, кодирование производится с помощью изменения поляризации лазерного луча.
«Для передачи данных между серверами одной фермы сегодня используют оптоволокно и крошечные лазеры с модуляцией интенсивности. Скорость передачи потока битов по волокну зависит от того, как быстро лазер может переключаться между уровнями интенсивности, соответствующими «1» или «0», — объясняет Маркус Линдеманн (Markus Lindemann), один из авторов поляризационной методики модуляции. — В настоящее время [предел] около 35 ГГц. Типичный метод увеличения производительности модуляции – простое увеличение тока накачки лазера. Большая производительность модуляции всегда связана с повышенным потреблением энергии».
Спиновой лазер докторской диссертации Маркуса Линдерманна
Фото: Рурский университет в Бохуме (RUB)/Kramer
Преимуществами своей технологии разработчики называют более высокие скорости при значительно меньшем энергопотреблении. При традиционной модуляции «единицы» представлены лазерным светом максимальной яркости, а «нули» тусклым импульсом или вовсе его отсутствием. В новой методике «единицы» формируются импульсом с круговой поляризацией, например «по часовой стрелке», а «нули» представлены импульсами той же интенсивности, но с поляризацией «против часовой стрелки».
По предварительным расчетам разработчиков, поляризационная технология передачи данных способна обеспечить пропускную способность до 240 Гб/с, генерируя при этом не более 7% того тепла, которое выделяет линия с традиционной модуляцией и производительностью 25 Гб/с.
Если (когда) поляризационную методику удастся масштабировать из лабораторного стенда до коммерческого проекта, ее потенциал сможет значительно изменить нынешнюю ситуацию в ЦОДах и серверных фермах, где высокоскоростные межузловые коммуникации являются источником большого количества побочного отработанного тепла и порой оснащаются дополнительным охлаждением.
От теории к практике
Технология, разработанная группой ученых из Германии, описана в недавнем номере журнала Nature, в статье «Сверхбыстрые спиновые лазеры» (Ultrafast spin-lasers). Черновик статьи в свободном доступе также хранится на сервере препринтов arXiv.
По словам ученых, нынешний прототип системы имеет достаточно долгую предысторию. Его разработка стартовала в 1997 году, когда исследователи вплотную занялись изучением взаимосвязи между спином электронов некоторых типов полупроводниковых лазеров – таких как вертикально-излучающие лазеры (VCSEL) с поляризацией излучения таких источников света.
Элемент конструкции поляризационного модулятора
Фото: Рурский университет в Бохуме (RUB)/Kramer
Возможность высокоскоростной модуляции лазерного излучения в разработке ученых из Германии основывается на коротком времени релаксации спина носителя и значительной анизотропии показателя преломления. Интересно, что в системах на обычных лазерах эти факторы принято считать вредными, мешающими увеличению производительности.
В этом году ученым удалось экспериментально подтвердить ранние теоретические выкладки о том, что методика использования спин-поляризованных носителей с обычными полупроводниковыми лазерами VCSEL позволяет добиться поляризационных колебаний при комнатной температуре с частотами более 200 ГГц. В итоге ширина полосы поляризационной модуляции составляет даже несколько больше 240 ГГц.
Еще в 2016 году в статье Frequency tuning of polarization oscillations: Toward high-speed spin-lasers для Applied Physics Letters ученые представили результаты испытаний более ранней версии своей технологии.
Тогда разработчикам удалось достичь поляризационной модуляции на частоте 44 ГГц, что обеспечивало теоретический потолок скорости обмена данными до 44 Гб/с. Примерно в этих пределах – от 40 до 50 Гб/с, оценивается физический предел современных технологий модуляции интенсивности света.
Прорыва в технологии удалось добиться совсем недавно, после улучшения техники модуляции. Уже сейчас ученые могут обеспечить более скоростные характеристики, нежели у самых быстрых лазеров с модуляцией интенсивности излучения.
Быстрый и экологичный
В публикации ученые утверждают, что их технология способна обеспечить «на порядок лучшую энергоэффективность, чем у лучших образцов традиционных VCSEL».
«Обычно для увеличения пропускной способности наращивают интенсивность накачки лазера, что автоматически означает большее потребление энергии и рост выделения тепла, – отметил Нильс Герхардт (Nils Gerhardt), глава коллектива разработчиков, руководитель кафедры фотоники и терагерцовых технологий в Рурском университете в Бохуме. – Однако пропускная способность в нашей концепции не зависит от энергопотребления. Мы обеспечиваем одинаковую производительность даже при малых токах».
Исследователи также отмечают, что традиционные методы амплитудной модуляции лазерного излучения вряд ли стоит списывать со счетов в обозримой перспективе для привычных приложений.
По словам Герхардта, поляризационная технология лучше подходит для сверхскоростных межузловых соединений в дата-центрах и серверных фермах. Для магистральных интернет-коммуникаций, по его мнению, пока предпочтительнее использовать проверенные временем технологии для больших объемов прокачки.
Однако «даже такая экзотика, как полупроводниковые лазерные диоды с синхронизацией мод или квантово-каскадные лазеры» с традиционной модуляцией пока не могут обеспечить передачу данных со скоростями значительно выше 100 Гбит/с, отметил Герхардт.
О рекордах и перспективах внедрения
Команда разработчиков новой технологии оценивает скорости порядка 240 Гбит/с лишь в качестве первой ступеньки к еще более высокой производительности. Так, например, в публикации ученых упоминаются полупроводниковые лазеры на основе арсенида галлия, которые в случае использования поляризационной методики модуляции теоретически смогут обеспечить скорости обмена данными более 500 Гб/с.
«Каждая новая серверная ферма Google, Facebook или Amazon должна иметь более высокую пропускную способность при меньшем энергопотреблении, — говорит Герхардт. — Скорость интерконнекта в данном случае уже сегодня является ограничивающим фактором».
Несмотря на экспериментальное подтверждение работоспособности новой технологи, в настоящее время говорить о перспективах реализации поляризационной модуляции лазеров в коммерческих масштабах пока преждевременно. Технология все еще требует решения ряда серьезных системных вопросов.
Например, разработчикам все еще не удалось найти приемлемый метод модуляции и демодуляции с круговой поляризацией, обеспечивающий высокую производительность в сочетании с надежностью и повторяемостью результатов. Сгибание печатной платы с массивом полупроводниковых лазерных светодиодов подходит разве что для лабораторных опытов с модуляцией. Для серийных скоростных устройств придется придумать что-то другое, подчеркивают разработчики. «Пока что это только концепция, — подчеркивает Герхардт. – Предстоит провести множество исследований, прежде чем вы сможете купить готовое устройство в магазине».
