Mit der rasanten Weiterentwicklung der künstlichen Intelligenz und des Hochleistungsrechnens erlebt der globale Datenverkehr ein explosionsartiges Wachstum, was sowohl die Geschwindigkeit der Informationsübertragung als auch die Energieeffizienz in Rechenzentren vor beispiellose Herausforderungen stellt. Herkömmliche optische Kommunikationstechnologien sind mit Bandbreitenengpässen und Stromverbrauchsbarrieren konfrontiert und erfordern dringend die Entwicklung einer neuen Generation von Hochgeschwindigkeits-, effizienten und hochintegrierten optischen Verbindungstechnologien. Optische Frequenzkämme, die gleichzeitig mehrere phasenstarre Wellenlängen für die parallele Datenübertragung erzeugen können, gelten als bahnbrechende Lösung für diese Herausforderungen. Allerdings ist die Erzielung praktischer optischer Frequenzkammquellen mit ultra-großer Bandbreite, ultra-hoher Temperaturstabilität und ultra-langer Betriebslebensdauer nach wie vor eine große Herausforderung für die Industrie.
Kürzlich gelang einem Forschungsteam unter der Leitung von Professor Chen Siming vom Institut für Halbleiter der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Zusammenarbeit mit Huisi Optoelectronics, der Shenzhen University of Technology und dem National Innovation Center for Information Optoelectronics ein Durchbruch in der Hochgeschwindigkeits-Quantenpunktmodus-verriegelten optischen Frequenzkammtechnologie für die optische Kommunikation. Durch innovative Co{3}}Dotiertechniken für Halbleiter-Quantenpunktmaterialien und Kollisions-Pulsmodus--Verriegelungsschemata entwickelte das Team erfolgreich einen optischen 100-GHz-Quantenpunkt-Frequenzkammlaser, der bei extremen Temperaturen von bis zu 140 Grad stabil arbeiten kann. Dieses Gerät erzielt Durchbrüche bei Betriebstemperatur, Übertragungskapazität und Zuverlässigkeit und bietet eine entscheidende Lichtquellenlösung für zukünftige optische Verbindungen auf Tbit/s{9}}-Ebene.
Die Forschung zeigt herausragende umfassende Leistungskennzahlen: Bei Raumtemperatur (25 Grad) erreicht der Laser eine optische Bandbreite von 3 dB von 14,312 nm und ist in der Lage, 26 Kanäle zu erzeugen. Jeder Kanal kann ein PAM-4-moduliertes Signal mit 128 Gbit/s übertragen. Das Gerät behält den stabilen Modus bei und sperrt bis zu 140 Grad. Bei 85 Grad -einem industriellen-Hochtemperaturstandard-zeigen die wichtigsten Leistungskennzahlen eine vernachlässigbare Verschlechterung und unterstützen einen stabilen Betrieb von 22 Kanälen für einen Gesamtdatendurchsatz von 2,816 Tbit/s. Gleichzeitig beträgt der Energieverbrauch pro übertragenem Bit nur 0,394 pJ bei 25 Grad und 0,532 pJ bei 85 Grad. Beschleunigte Alterungstests über 1.500 Stunden bei 85 Grad zeigen eine mittlere Ausfallzeit (MTTF) von 207 Jahren und erfüllen damit die strengen Anforderungen für kommerzielle Anwendungen vollständig.
Diese Arbeit demonstriert nicht nur experimentell die Machbarkeit der gleichzeitigen Erzielung von Ultra-breitband, Ultra-hoher-Temperatur, ultra-langer-Lebensdauer und hoch-integrierter optischer Quantenpunktfrequenzkämme auf einem einzigen Chip, sondern bietet auch einen leistungsstarken, kosten{6}effektiven Lichtquellenimplementierungspfad für optische Verbindungssysteme in Rechenzentren der nächsten{7}Generation und Rechenclustern für künstliche Intelligenz.
