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新型光子芯片:数模转换器弥合了互联网和电子硬件之间的鸿沟

发布:Iris1602阅读:968时间:2021-2-26 07:02:32

新型光子芯片:数模转换器弥合了互联网和电子硬件之间的鸿沟

受美国空军科学研究办公室,海军研究办公室支持,乔治华盛顿大学和加利福尼亚大学洛杉矶分校的研究人员首次在不离开光域的情况下开发并演示了光子数模转换器,这种新型转换器可以提升下一代数据处理硬件,与数据中心、6G网络、人工智能等具有高度相关性。相关论文发表在《Advanced Photonics Research》上。

图1,5G网络中光子DAC的影响和潜在用途的示意图。来源,原文。

数模转换器(DAC)是民用和军用应用中信号处理仪器和宽带电信链路中必不可少的功能单元。由于光子系统能够实现高数据吞吐量和低延迟,因此越来越多的系统限制源于所需的域交叉,例如数字到模拟以及电子到光学。相比之下,光子DAC的实现可实现能效和短信号延迟方面的无缝信号转换,这通常需要笨重的分立光学组件和电光转换,因此效率低下。

据估计,到2022年,全球IP年总流量将达到每年4.8 ZB。对低延迟访问和高效数据处理的需求不断增长,要求创新平台在更接近网络边缘的位置执行计算任务。如果成功,这将使下一代网络能够高效、近实时地分析重要数据。在这种情况下,世界上大多数数据已经在光纤中传播,这既支持高信道速率又支持吞吐量。

然而,网络在功耗和吞吐量方面的瓶颈在于边缘的连接和接口而产生的限制,也就是说,数字系统或传感器的输入/输出(I/O)需要数模转换(DAC),反之亦然(ADC),以及电子到光学的电光(EO)转换,反之亦然(OE),这是典型的基于高速数字信号处理(DSP)的光数据链路中最耗电的元件。所有全光网络都需要在其边缘进行这种转换的排列。因此,优化这些域转换以满足未来对大型数据集处理和低延迟数据访问的需求成为一个紧迫的挑战,特别是对于大型数据中心而言。

光子集成电路(PIC)已显示出满足高数据处理能力需求的潜力,同时可以对光数据进行操作,与数字系统接口并以紧凑的尺寸执行,具有低延迟和低功耗的特点。然而,当与电子数字体系结构接口时,光子平台的性能提升受电子设备接口的限制。事实上,除了电子器件(E)和光学器件(O)之间繁琐的域交叉外,这些接口通常还受到可实现带宽以及DAC(或ADC)分辨率的限制。

这里,研究人员认为基于光子的DAC由于其无缝集成和高性能,可以增强光和电光混合网络和信息处理系统。然而,由于最先进的高效比特数(ENOB)电子DAC的带宽低于典型的固有不受电磁干扰的电光调制器的带宽,因此光子DAC解决方案应同时实现高采样率和转换效率,同时不受抖动和电磁噪声的影响。此外,这些光子DAC(和ADC)允许绕过寄生光电(O-E-O)转换,从而促进网络简单性,并可能级联到其他光子系统,如网络、处理器等。

由于光子数模转换器与光纤通信系统具有内在的兼容性(通过光栅到芯片的对准过程),它们也可以用于小型交换网络中的低延迟标签数据路由,或者为网络边缘的信息预处理器和分类器提供接口。已经探索了几种基于光学的DAC,但是,大多数使用单独封装的光纤组件,这限制了它们的利用率(占地面积、功率、坚固性、最终成本)。这些通常基于各种不同的方案,包括使用微环谐振器(MRR)调制的多波长信号的光强度加权(基于PIC),非线性光学环路镜,或干涉测量和偏振复用或依赖移相器。这项工作中,他们强调需要克服当前纯电子DAC的带宽限制和定时抖动,同时也寻求克服繁琐的O–E–O转换。事实上,在不牺牲芯片封装面积的情况下,提高能耗和减少延迟的能力是值得考虑的。

为此,他们介绍了一种新颖的相干并行光子二进制加权(PBW)DAC概念,并设计了一个4位的实验样机,该样机能够实现这种DAC而不需要光-电-光域交叉。研究人员同时介绍了三种不同的方式实现光学DAC,即串行,非相干和相干并行。 1,串行方案基于适当地设置波长间隔和分散介质的长度,将适当间隔的加权多波长脉冲相加。2,非相干并行实现是基于编码一个比特序列的多个波长的加权积分。3,相干并行光学DAC(PBW DAC)使用预先设置的非平衡定向耦合器,将不均匀的光载波散布到不同的信道中,然后使用电光调制器(或2个开关)分别进行高速调制。预定的相移(在所表示的二进制“ 0”或“ 1”的情况下)通过无源波导组合器实现相干求和的方式,采用相移器(Δφ)的主动补偿,这样可以将信号保持在光域中(无需进行O–E–O转换),以在光学机器学习或光通信系统中协同使用。当以高采样率(50 GHz)工作时,这种新的模式保证了位之间的线性强度加权,在8位实现中具有出色的采样效率(> 100 GS J^-1)和占位面积小(1 mm^2)。重要的是,该光子DAC能够实现下一代数据处理硬件的无缝接口,这些硬件在数据中心、特定任务的计算加速器(如神经形态引擎)和网络边缘处理应用程序中具有高度相关性。

PBW DAC可能是实现下一代网络的必不可少的设备,并且可以在信息“雾”中的网络边缘光子专用设备的接口中使用,例如,数字控制的发射器和接收器或光子计算体系结构,通过提供边缘云功能,可以显著降低运行网络的成本。同时,在更高层次的网络中,DAC可用作数控光子微数据中心和路由器,用于智能重定向流量和标签处理。

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