Журнал Nature Photonics опубликовал работу, в которой описывается способ ультра-быстрой передачи информации – свыше 100 Гбит/с. Таких результатов международной группе ученых удалось добиться с помощью реализации концепции полностью оптической обработки сигнала в усовершенствованных оптических волокнах.
Это достижение ученые считают важным шагом на пути к созданию сложных оптических интегральных схем на основе кремниевых материалов.

Технологии коммуникации с использованием полностью оптических систем обработки сигнала (All-optical signal processing) на сегодняшний день можно назвать «движущей идеей» телекоммуникаций. В полностью оптических сетях процессы коммутации, мультиплексирования, регенерации сигнала выполняются исключительно на оптическом уровне, без переведения сигнала в электрическую форму. Такой технический подход дает очень серьезный выигрыш в скорости передачи сигнала, снижает энергозатраты и стоимость передачи информации.

Главным элементом полностью оптических систем передачи и распределения сигналов служат оптические волокна, или оптические световоды, светопроводящий сердечник которых изготовлен из легированного кварцевого стекла, оболочка – из материалов с тщательно подобранными светоотражающими свойствами, а покрытие обеспечивает механическую защиту. В основе распространения света по оптоволокну лежит принцип полного внутреннего отражения, который реализуется за счет того, что коэффициент преломления сердечника выше коэффициента преломления оболочки. В полностью оптических системах эффекты оптической нелинейности используются для усиления и модуляции сигналов.

Ученые из университетов Karlsruhe (Германия), IMEС (Бельгия), Lehigh University (США) и ETH Zürich (Швейцария) разработали инновационную структуру оптического волокна. Для этого они объединили возможности трех методов: фотолитографии с использованием глубокого ультрафиолета (длина волны менее 250 нм) (deep-ultraviolet lithography), стандартной технологии CMOS (Complementary-symmetry/metal-oxide semiconductor – комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник, КМОП), которая используется сегодня в массовом производстве большинства микросхем и высокоэффективных элементов оптических систем и молекулярно-лучевого осаждения органических соединений (organic molecular beam deposition). Этот способ получил название кремний-органический гибридный подход (silicon-organic hybrid, SOH), и с его появлением можно говорить о долгожданном возникновении серьезной платформы для создания полностью оптических телекоммуникционных систем, в которых все процессы обработки сигнала происходят оптическим способом, без перехода сигнала фотонов в электроны. Это решение способно упростить и улучшить процессы передачи информации.

Экспериментальным результатом, подтвердившим эффективность кремний-органического гибридного подхода, стало создание 4-мм оптического волокна с рекордным коэффициентом нелинейности равным 105(Вт*км)-1 при работе в 1.55 мкм оптическом окне: было успешно осуществлено полностью оптическое демультиплексирование сигнала 170.8 Гбит/с до 42.7 Гбит/с с помощью четырехволнового смешения. Ранее эти возможности были лишь предсказаны теоретически, но не могли быть экспериментально доказаны. На настоящий момент описанная система стала самым быстродействующим достижением кремниевой фотоники. Возможности кремний-органических оптических волокон демонстрируют реальность создания полностью оптической архитектуры для широкополосной обработки и передачи информации.

Ценность нового подхода не ограничивается лишь усовершенствованием телекоммуникационных процессов: его использование позволяет также обойти некоторые ограничения, накладываемые технологией кремния на изоляторе (silicon-on-insulator, SOI), с успехом применяемой для изготовления пассивных линейных оптических устройств, например, фильтров. Динамическая система, в которой происходит передача и переключение сигнала, должна быть защищена от тех нелинейных эффектов, которые вносят искажения в сигнал. К сожалению, природа кремниевых материалов ограничивает максимально возможную скорость передачи сигнала – 40 Гбит/с.

Кремний-органический гибридный подход продемонстрировал скорость 100 Гбит/с за счет эффекта гомогенного заполнения органическими молекулами неравномерно расположенных пространств, формируемых в результате CMOS-обработки волокна. Органические молекулы нивелируют нежелательную абсорбцию, и их нанесение играет ключевую роль в свойствах нового типа оптических волокон.

Экспериментальные образцы оптических волокон были изготовлены на базе производственных мощностей аутсорсинговой фирмы ePIXfab, специализирующейся на изготовлении материалов для электроники и кремниевой фотоники.

Источник