Transmisja danych DWDM w paśmie O z wykorzystaniem modowo-zamiarkowanego lasera grzebieniowego na kropkach kwantowych i półprzewodnikowego wzmacniacza optycznego

Dlaczego szybsze łącza danych są ważne

Nowoczesne usługi w chmurze, serwisy streamingowe i w szczególności sztuczna inteligencja opierają się na łączeniu bardzo dużej liczby komputerów przy pomocy ekstremalnie szybkich łączy danych. Coraz częściej sygnały przesyła się za pomocą światła zamiast sygnałów elektrycznych, wysyłając wiele kolorów lasera przez pojedyncze, cienkie jak włos włókno szklane. Obecne podejście — używanie odrębnego lasera dla każdego koloru — staje się jednak objętościowe, energochłonne i kosztowne w miarę rosnącego zapotrzebowania na przepustowość. Niniejsze badanie opisuje sposób zastąpienia całego banku laserów pojedynczym, kompaktowym chipem i wzmacniaczem, które potrafią zasilać dziesiątki szybkich kanałów danych jednocześnie w kluczowym oknie telekomunikacyjnym zwanym pasmem O, obiecując prostsze i bardziej wydajne połączenia wewnątrz centrów danych.

Jeden malutki chip, wiele kolorów światła

Rdzeniem koncepcji jest „laser grzebieniowy” — półprzewodnikowy chip, który naturalnie emituje wiele równomiernie rozmieszczonych kolorów światła, jak zęby grzebienia w dziedzinie częstotliwości. Zamiast precyzyjnie konstruować i wyrównywać szesnaście czy więcej oddzielnych laserów, inżynierowie mogą użyć jednego chipu, którego wewnętrzna struktura generuje jednocześnie wiele stabilnych linii spektralnych. W tej pracy autorzy wykorzystują kropki kwantowe — maleńkie wyspy materiału półprzewodnikowego o wymiarach rzędu nanometrów — jako medium generujące światło wewnątrz chipu. Poprzez staranne zaprojektowanie długości wnęki laserowej i dodanie specjalnej sekcji wymuszającej zsynchronizowaną pracę, tworzą źródło zawierające od 11 do 23 czystych linii spektralnych, każda rozdzielona o 100 gigaherców, odpowiednie dla nowoczesnych systemów gęstego multipleksowania długości fal (DWDM) w paśmie O.

Utrzymanie sygnałów w czystości i sile

Aby każdy kolor niósł szybki strumień danych, jego jasność musi być stabilna, a moc wystarczająco wysoka, by można było go wykryć po przejściu przez elementy optyczne i włókno. Kluczowym wyzwaniem dla laserów grzebieniowych jest szum: w zwykłych urządzeniach wielomodowych poszczególne linie silnie fluktuują. Tutaj zespół pracuje w reżimie modulacji fazowej (mode‑locked), w którym wszystkie linie są ze sobą fazowo powiązane, co dramatycznie tłumi szum intensywności na każdej linii. Mierzą zarówno względny szum intensywności, jak i współczynnik błędów bitowych dla strumieni danych kodowanych na pojedynczych liniach i stwierdzają, że błędy podążają za rozkładem Gaussa ściśle związanym z mocą optyczną danej linii. Bardziej jasne linie wykazują niższe wskaźniki błędów, osiągając poziomy rzędu jednego błędu na dziesięć miliardów bitów dla najsilniejszych modów.

Wzmacnianie dziesiątek kanałów jednym wzmacniaczem

Innym wąskim gardłem jest utrata mocy sygnału przechodzącego przez zintegrowany układ fotoniczny — gdzie sygnały są dzielone, modulowane danymi i ponownie łączone — co może powodować spadki rzędu kilkudziesięciu decybeli. Tradycyjne wzmacniacze optyczne przydatne w paśmie O są zwykle nieporęczne lub hałaśliwe. Autorzy rozwiązują ten problem za pomocą kompaktowego półprzewodnikowego wzmacniacza optycznego na kropkach kwantowych umieszczonego na chipie. Pokazują, że ponad dwadzieścia linii grzebieniowych, osłabionych po przejściu przez obwód fotoniczny, można jednocześnie ponownie wzmocnić jednym niskoszumnym wzmacniaczem. W testach laboratoryjnych modulują wszystkie linie formatem PAM4 o przepływności 106 gigabaudów, wysyłają połączony sygnał przez kilometry włókna, aby zasymulować niezależne strumienie danych, a następnie ponownie go wzmacniają drugim wzmacniaczem przed detekcją. W zależności od liczby linii i ich wykorzystania łączna przepustowość osiąga do 2,3 terabita na sekundę, pozostając w granicach, w których nowoczesne kody korekcji błędów mogą w pełni odzyskać informację.

Dostosowanie do przyszłego sprzętu sieciowego

Obecnie masowo produkowane chipy fotoniczne są optymalizowane pod stosunkowo grube odstępy między liniami, a stosowanie bardzo ciasno upakowanych linii może powodować przesłuchy. Aby dopasować się do istniejącego i pojawiającego się sprzętu, badacze prototypują także krótsze lasery grzebieniowe, których długość wnęki została skrócona, zwiększając odstęp między liniami do 138, 163 i 216 gigaherców. Wraz ze wzrostem odstępu pod krzywą wzmocnienia mieści się mniej linii o niskim szumie, ale pozostałe linie nadal wspierają transmisję danych z dużą prędkością przy akceptowalnych współczynnikach błędów. W pracy omawia się, jak poprawa wzmocnienia lasera lub refleksyjności zwierciadeł — albo zastosowanie bardziej zaawansowanych geometrii modulacji fazowej — mogłaby dodatkowo zwiększyć odstępy bez utraty wydajności.

Co to oznacza dla przyszłych centrów danych

Mówiąc prosto, autorzy pokazują, że jeden malutki chip lasera grzebieniowego na kropkach kwantowych, połączony z równie kompaktowym półprzewodnikowym wzmacniaczem, może zastąpić cały regał oddzielnych laserów w łączy krótkiego zasięgu. Ich system dostarcza wiele czystych kolorów światła, z których każdy może przenosić strumienie o przepływności 106 gigabitów na sekundę i utrzymuje współczynniki błędów na tyle niskie, by standardowe schematy korekcji mogły skorygować pozostałe błędy. Upraszczając źródło światła i etapy wzmacniania, podejście to może zmniejszyć zużycie energii, koszty i złożoność fizyczną łączy w przyszłych połączeniach między centrami danych, pomagając nadążyć za eksplodującym zapotrzebowaniem na dane w AI i przetwarzaniu w chmurze przy jednoczesnym utrzymaniu zwartego i wydajnego sprzętu.

Cytowanie: Belykh, V.V., Buyalo, M.S., Rautert, J. et al. O-band DWDM data transmission with quantum dot mode-locked comb laser and semiconductor optical amplifier. Sci Rep 16, 12744 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46147-z

Słowa kluczowe: komunikacja optyczna, lasery grzebieniowe częstotliwości, połączenia centrów danych, półprzewodnikowe wzmacniacze optyczne, gęste multipleksowanie długości fal (DWDM)