- Kyocera und die Tohoku University haben eine neue optische Chip-Technologie entwickelt, die Reflexionen um etwa 95% reduziert.
- Die Technologie nutzt Laser-Annealing, um optische Isolatoren direkt in Silizium-Photonik-Chips zu integrieren.
- Ein lokales Heizverfahren verhindert die Beschädigung von Silizium-Photonik-Schaltungen und verbessert die Integration der optischen Isolatoren.
- Diese Technologie könnte in zukünftigen hochdichten optischen Systemen eine wichtige Rolle spielen.
Kyocera und die Tohoku University haben eine neuartige optische Chip-Technologie entwickelt, die das Potenzial hat, das wachsende Problem in Hochgeschwindigkeits-Rechenzentren zu lösen, indem sie die Leistung durch die Reduzierung von Reflexionen um etwa 95% steigert. Die Technologie nutzt Laser-Annealing, um optische Isolatoren direkt in Silizium-Photonik-Chips zu integrieren. Dieser Prozess beheizt nur die Zielbereiche, anstatt den gesamten Chip hohen Temperaturen auszusetzen. Die Funktion der optischen Isolatoren besteht darin, die Rückwärtsausbreitung von Licht zum Laser zu verhindern, da Reflexionen den Laser stören und die Leistung des optischen Kommunikationssystems verringern können.
Mit dem Aufkommen von KI-Arbeitslasten, die Rechenzentren dazu zwingen, mehr Informationen zu verarbeiten, wird die Silizium-Photonik-Technologie entwickelt, um schnellere und energieeffizientere Verbindungen zu bieten.
Technische Vorteile der optischen Isolatoren
Die Technologie verwendet Lichtsignale anstelle von elektrischen Signalen für die Übertragung und Verarbeitung von Daten, wobei die Laserheiztechnik das Integrationsproblem löst. Herkömmliche optische Isolatoren basieren in der Regel auf magneto-optischen Granaten, einem kristallinen Material, das auf etwa 600 Grad Celsius oder höhere Temperaturen erhitzt werden muss, um die gewünschten Eigenschaften zur Unterdrückung von Reflexionen zu entwickeln. Das Erhitzen des gesamten Silizium-Photonik-Chips auf diese Temperatur könnte jedoch seine Elektroden, Verdrahtungen und andere Komponenten beschädigen. Kyocera und die Tohoku University lösen dieses Problem, indem sie den Nahinfrarot-Laser nur auf den Bereich richten, in dem sich der Isolator bildet, wobei der Laser auf eine Fläche von etwa 700 Mikrometern x 700 Mikrometern fokussiert wird.
Diese lokale Erwärmung führt zur Kristallisation des magneto-optischen Granats, ohne dass die umgebenden Silizium-Photonik-Schaltungen der gleichen thermischen Belastung ausgesetzt werden.
Zukünftige Anwendungen und Entwicklungen
Diese Methode ermöglicht es, optische Isolatoren leichter mit kompakten optischen Schaltungen und Co-Packaged Optics (CPO) zu integrieren. CPO platziert optische und elektronische Komponenten in demselben Halbleitergehäuse, wodurch die Signalwege verkürzt und möglicherweise Signalverluste und der Stromverbrauch reduziert werden. Für optische Verbindungen wird es mit der zunehmenden Miniaturisierung und Kompaktheit der Systeme immer wichtiger, dass das Licht in die vorgesehene Richtung geleitet wird. Daher können direkt hergestellte Isolatoren eine der Haupthindernisse für die Integration in zukünftigen Hochgeschwindigkeitsnetzwerken beseitigen.
Forscher haben optische Isolatoren auf Siliziumwellenleitern hergestellt und deren Fähigkeit getestet, zwischen vorwärtslaufendem Licht und reflektiertem Licht zu unterscheiden. Das Gerät erreichte im Bereich der optischen Kommunikationswellenlängen ein Isolationsverhältnis von 13,6 Dezibel, was nach Angaben der Forscher einer Reduzierung der Reflexionen um etwa 95% entspricht. Elektronenmikroskopische Untersuchungen zeigten, dass der laserbehandelte magneto-optische Granat auf dem Siliziumwellenleiter korrekt kristallisiert war, was die in den Experimenten gezeigten Betriebsergebnisse unterstützt. Dieses Ergebnis baut auf früheren Forschungen von Kyocera und der Tohoku University auf, die darauf abzielen, optische Isolatoren zu entwickeln, die direkt in optische Schaltungen integriert werden können.
Das Ziel dieser Unternehmen ist es nun, die Technologie durch die Reduzierung optischer Verluste, die Verbesserung der Effizienz und die Anpassung des Prozesses an die Massenproduktion zu verbessern. Wenn diese Verbesserungen erreicht werden, könnten direkt integrierte optische Isolatoren in zukünftigen hochdichten optischen Systemen eine Rolle spielen, insbesondere wenn Rechenzentren zunehmend auf Silizium-Photonik und CPO zurückgreifen, um den wachsenden KI-bezogenen Arbeitslasten gerecht zu werden. Die entsprechende Forschung wurde im Fachjournal IEEE Access veröffentlicht.
Die Bedeutung der neuen Technologie für Rechenzentren
Mit dem Vorantreiben der Nachfrage nach Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung in Rechenzentren durch KI erscheint die gemeinsame Entwicklung der neuen optischen Chip-Technologie von Kyocera und der Tohoku University besonders wichtig. Durch die Reduzierung von Reflexionen und die Verbesserung der Integration der optischen Isolatoren kann diese Technologie nicht nur die Leistung optischer Kommunikationssysteme steigern, sondern auch den Stromverbrauch senken und sich an die Anforderungen zukünftiger hochdichter optischer Systeme anpassen. Mit dem Fortschritt der Silizium-Photonik-Technologie wird der Erfolg dieser Technologie einen tiefgreifenden Einfluss auf die Effizienz und Nachhaltigkeit der Rechenzentrumsbetriebe haben.