Эпоха больших данных ставит перед нами сложные задачи: как обрабатывать огромные объемы информации, не тратя при этом колоссальные ресурсы? Проблема усугубляется тем, что 90% данных передаются с помощью света, а обрабатываются — в электрическом виде. Это как переводить книгу с языка на язык, теряя половину смысла по дороге.

Есть два пути решения. Первый — конвертировать свет в электричество и обратно (оптоэлектронный метод). Но у него есть ограничения: сложность масштабирования, высокие затраты и потери энергии. Второй путь — обрабатывать информацию сразу в оптическом виде, без лишних преобразований. Это называется все-оптическая обработка сигналов (AOSP).

Все-оптическая обработка сигналов (AOSP) — это метод, при котором информация, закодированная в свете, обрабатывается непосредственно в оптическом виде, без преобразования в электрические сигналы. Это как редактировать фотографию прямо в камере, не загружая ее в компьютер.

Еще в 80-х годах AOSP изучали на громоздких нелинейных устройствах, но сегодня благодаря интеграции в кремниевые чипы технология стала компактнее и эффективнее. Кремниевая фотоника — идеальная платформа: она совместима с существующей электроникой, обладает высокой пропускной способностью и низким энергопотреблением.

Совместная группа ученых из ведущих китайских университетов (Хуачжунский университет науки и технологий, Шанхайский университет Цзяо Тун и др.) представила программируемый AOSP-чип, который умеет фильтровать, восстанавливать и выполнять логические операции с оптическими сигналами. Это важный шаг к созданию гибких оптических сетей, способных адаптироваться к разным форматам данных.

Результаты опубликованы в издании Frontiers of Optoelectronics.

Что удалось решить

• Проблема потерь — разработаны сверхточные кремниевые волноводы (потери всего 0,17 дБ/см).
• Слабая нелинейность — использованы новые структуры (PIN-переходы, мультимодовые волноводы), что позволило добиться высокой эффективности преобразования сигналов.
• Перекрестные помехи — оптимизирована компоновка чипа, чтобы минимизировать нагрев и взаимное влияние каналов.

На одном чипе удалось разместить 136 устройств, включая фильтры, логические элементы и регенераторы. Система работает на скорости 100 Гбит/с на канал, поддерживает разные форматы модуляции (DPSK, OOK) и даже улучшает качество сигнала (например, для QPSK чувствительность приемника выросла на 6 дБ).

Технология открывает путь к более быстрым и энергоэффективным сетям. Но чтобы масштабировать ее, нужно совершенствовать производство, внедрять новые материалы и улучшать системы охлаждения.

Этот чип может:

• Ускорить интернет — обработка сигналов прямо в оптике снизит задержки.
• Снизить энергопотребление дата-центров — меньше преобразований = меньше потерь.
• Упростить телекоммуникационное оборудование — одна микросхема заменяет несколько модулей.
• Дать толчок квантовым вычислениям — быстрая оптическая логика критична для фотонных процессоров.

Главный недостаток — зависимость от мощности сигнала. Для эффективной нелинейной обработки нужны высокие уровни света, а это может приводить к перегреву и деградации чипа. Пока неясно, как система поведет себя при длительной эксплуатации.

Ранее российские ученые втрое увеличили эффективность свечения многокомпонентной наноструктуры.