DWDM‑передача данных в O‑диапазоне с помощью частотно‑гребневого лазера на квантовых точках и полупроводникового оптического усилителя

Почему важны более быстрые каналы передачи данных

Современные облачные сервисы, стриминг и, в особенности, искусственный интеллект зависят от соединения огромного числа компьютеров через чрезвычайно быстрые каналы передачи данных. Эти каналы всё чаще используют свет вместо электрических сигналов, посылая множество «цветов» лазерного излучения через одну тонкую стеклянную волокнистую нить. Но нынешний подход — по одному отдельному лазеру на каждый цвет — становится громоздким, энергоёмким и дорогим по мере роста потребностей в трафике. В этой работе изучается способ заменить целую пачку лазеров одним компактным чипом и усилителем, способным одновременно питать десятки высокоскоростных каналов в важном телекоммуникационном окне, называемом O‑диапазоном, что обещает упростить и повысить эффективность соединений внутри дата‑центров.

Один крошечный чип — множество цветов света

Ключевая идея заключается в «гребневом» лазере — полупроводниковом чипе, который естественным образом излучает множество равномерно расположенных по частоте цветов света, подобно зубцам гребня в частотной области. Вместо точной сборки и выравнивания шестнадцати и более отдельных лазеров инженеры могут использовать один чип, внутренняя структура которого обеспечивает одновременное образование нескольких устойчивых цветовых линий. В этой работе авторы используют квантовые точки — крошечные островки полупроводникового материала размером в нанометры — в качестве излучающего активного вещества внутри чипа. Тщательно подобрав длину лазерной полости и добавив специальный участок, обеспечивающий синхронизированную работу, они получают источник с 11–23 чистыми спектральными линиями, разделёнными по 100 гигагерц, подходящими для современных систем плотного мультиплексирования по длине волны (DWDM) в O‑диапазоне.

Сохранение чистоты и мощности сигналов

Чтобы каждый цвет мог нести высокоскоростной поток данных, его интенсивность должна быть стабильной, а мощность — достаточно высокой для детектирования после прохождения оптики и волокна. Главной проблемой для гребневых лазеров был шум: в обычных многомодовых устройствах отдельные линии сильно флуктуируют. Здесь команда работает в режима модовой синхронизации (mode‑locked), при котором все линии фазово связаны между собой, что резко подавляет интенсивностный шум на каждой линии. Они измеряют относительный интенсивностный шум и битовую ошибочность для потоков данных, модулированных на отдельных линиях, и обнаруживают, что ошибки подчиняются гауссовскому шуму, тесно связанному с оптической мощностью каждой линии. Более яркие линии показывают меньший уровень ошибок, достигая значений порядка одной ошибки на десять миллиардов бит для самых сильных мод.

Усиление десятков каналов одним усилителем

Ещё одним узким местом является то, что свет, проходящий через фотонно‑интегрированную схему — где сигналы разделяются, модулируются данными и снова объединяются — может терять десятки децибел мощности. Традиционные оптические усилители для O‑диапазона часто громоздки или шумны. Авторы решают эту проблему компактным полупроводниковым оптическим усилителем на квантовых точках прямо на чипе. Они показывают, что более двадцати гребневых линий, ослабленных после фотонной схемы, могут одновременно быть повторно усилены одним низкошумным усилителем. В лабораторных испытаниях они модулируют все линии форматом PAM4 с символной скоростью 106 гигабауд, посылают объединённый сигнал через километры волокна, имитируя независимые потоки данных, а затем снова усиливают его вторым усилителем перед детектированием. В зависимости от числа используемых линий и уровня их загрузки суммарная скорость данных достигает до 2,3 терабит в секунду при сохранении параметров в пределах, где современные схемы исправления ошибок могут полностью восстановить информацию.

Адаптация к будущему сетевому оборудованию

Массово производимые сегодня фотонные чипы оптимизированы под относительно крупные шаги между цветами, и очень плотная упаковка линий может вызывать перекрёстные помехи. Чтобы согласоваться с существующим и появляющимся оборудованием, исследователи также создают прототипы более коротких гребневых лазеров, укорачивая длину полости для увеличения шага между линиями до 138, 163 и 216 гигагерц. По мере увеличения шага под усилительной кривой помещается меньше низкошумных линий, но оставшиеся линии по‑прежнему поддерживают высокоскоростную передачу с приемлемыми уровнями ошибок. В работе обсуждается, как повышение усиления лазера или отражательной способности зеркал — либо использование более продвинутых схем модовой синхронизации — могло бы ещё увеличить расстояние между линиями без потери характеристик.

Что это означает для будущих дата‑центров

Проще говоря, авторы демонстрируют, что один крошечный гребневой лазер на квантовых точках в паре с компактным полупроводниковым усилителем может заменить целую стойку отдельных лазеров в системах короткой дальности. Их система даёт множество чистых цветовых линий, каждая из которых способна нести потоки по 106 гигабит в секунду, и поддерживает уровень ошибок достаточно низким для стандартных схем коррекции. Упрощая ступени генерации и усиления света, этот подход может снизить энергопотребление, стоимость и физическую сложность будущих межсоединений дата‑центров, помогая удовлетворить растущие потребности в данных для ИИ и облачных вычислений, сохраняя оборудование компактным и эффективным.

Цитирование: 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

Ключевые слова: оптические коммуникации, частотно‑гребневые лазеры, соединения между дата‑центрами, полупроводниковые оптические усилители, плотное мультиплексирование по длине волны