Alumno

Durante más de cinco años, Clint Schow ha estado trabajando con Facebook (ahora Meta) para aumentar la eficiencia energética de los centros de datos del gigante de las redes sociales. Junto con otros investigadores de UC Santa Barbara, Schow, profesor de ingeniería eléctrica e informática, dirigió un equipo que incluía a muchos estudiantes en el desarrollo de un enlace óptico coherente con una velocidad de transmisión de longitud de onda única de 200 Gbps y utiliza 1,5 vatios de potencia.

El ambicioso proyecto incluyó el diseño y empaquetado integrado de fotónica con circuitos electrónicos diseñados por los estudiantes del profesor James Buckwalter en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática (ECE) junto con el desarrollo de arquitecturas de red que aprovechan la conmutación fotónica dirigida por el profesor de investigación de ECE Adel Saleh.

¿El resultado final? Un enlace óptico coherente, desarrollado en colaboración con Intel y dirigido por Aaron Maharry, quien recientemente completó su doctorado. en el laboratorio de Schow. La visión del enlace fue presentada hace aproximadamente una docena de años por el profesor emérito Larry Coldren, pionero mundial en circuitos integrados fotónicos (PIC).

"Nadie creía que pudiera funcionar", dijo Coldren. “Pensaron que habíamos salido a almorzar y nos preguntaron: '¿Por qué intentan crear un enlace coherente en un centro de datos? Eso es una locura'”.

El panorama del enlace óptico

Cuando se utiliza un enlace óptico en un centro de datos, la información se transmite de un conmutador de red a otro mediante una señal electrónica que viaja desde el primer conmutador hasta un módulo transceptor, que la convierte en una señal óptica. Luego, esa señal se envía a través de fibra para ser recibida en el otro extremo, donde se convierte nuevamente en una señal eléctrica. "Nos estamos centrando en la parte del transceptor del enlace, porque convierte la señal en ambos extremos", dijo Maharry.

Maharry, que se unió al grupo de Schow justo cuando comenzaba el proyecto, presentó la investigación en la Conferencia de Comunicación por Fibra Óptica (OFC), la principal reunión para profesionales de redes y comunicaciones ópticas, celebrada en San Diego a principios de marzo.

"Este es un paso importante hacia las redes de centros de datos de próxima generación construidas sobre enlaces ópticos coherentes", dijo Maharry en la conferencia. "Estos enlaces permitirán a los centros de datos escalar económicamente el rendimiento de la red con un menor consumo de energía, lo que conducirá a una Internet mejor, más sostenible y más barata".

"El poder del artículo de Aaron es la integración: un nivel extremadamente alto de integración óptica en el lado del dispositivo óptico, y luego la integración eléctrica y el diseño de esas dos cosas juntas", dijo Schow. "Obtener este gran resultado fue un logro impresionante y creo que es por eso que la OFC apreció y destacó nuestro artículo".

Schow utiliza el análogo de la radio de un automóvil para explicar qué hace un enlace coherente. "Una antena transmite en cierta frecuencia y la señal sale en todas direcciones", dijo. “Cuando llega a ti, es muy débil, pero puedes recibirlo si tienes un oscilador local (un generador de onda sinusoidal eléctrica en la radio de un automóvil) que aumenta la señal de la estación que seleccionas. El mismo principio funciona en la óptica coherente. Si bien el oscilador local es óptico (un láser), también permite una detección de señales mucho más sensible”.

Los enlaces ópticos utilizados en los centros de datos que ahora forman la columna vertebral de Internet a menudo dependen de un enfoque de comunicación conocido como detección directa por modulación de intensidad (IMDD), en el que la información se codifica modulando solo los niveles de potencia de la luz. El aumento de las velocidades de datos ha generado un creciente interés en reemplazar los enlaces IMDD por enlaces coherentes más escalables, pero su alto consumo de energía y su costo han impedido su adopción generalizada.

En su forma más básica, la transmisión óptica coherente es una técnica basada en modular tanto la amplitud como la fase de la luz mientras se transmite en dos ejes de polarización separados, para permitir el transporte de mucha más información a través de un cable de fibra óptica.

Maharry y varios compañeros Ph.D. los estudiantes trabajaron con Intel Corporation y en ella para diseñar una arquitectura de enlace de detección analógico-coherente; es decir, un enlace que utiliza procesamiento óptico analógico para convertir los bits recibidos directamente en señales eléctricas digitales. Esa arquitectura elimina las funciones de procesamiento de señales digitales que consumen mucha energía y que se requieren para enlaces coherentes convencionales de mayor alcance, como los utilizados en cables de fibra óptica transoceánicos, pero que son innecesarias para las distancias más cortas que viajan las señales dentro de un centro de datos.

"Existe una amplia tendencia en la industria de las comunicaciones ópticas de avanzar hacia una tecnología de enlace que permitirá velocidades de datos más altas y mejorará la sensibilidad del receptor", dijo Maharry. “Ampliamente utilizados para cables submarinos que pueden recorrer miles de kilómetros, se han utilizado para tramos cada vez más cortos durante la última década. Hemos estado aplicando esa arquitectura a longitudes de, como máximo, sólo un par de kilómetros para un uso de gran volumen dentro de los centros de datos”.

Es una tarea técnicamente desafiante, y Maharry tardó seis años como estudiante de doctorado en completarla. "Es muy difícil, pero esencial, hacer que esa tecnología sea energéticamente y rentable, porque tiene que competir con tecnologías de detección directa simples y robustas", dijo. “Por lo tanto, hemos tenido que rediseñar todos los chips y optimizarlos en términos de eficiencia energética para que puedan competir con estas otras tecnologías.

“Al más alto nivel hemos optimizado algunas de las funciones que tienen que ver con cómo se recibe, acondiciona y posprocesa la señal para recuperar los datos”, agregó. “Para alcances más largos, esas funciones normalmente se realizan en un circuito integrado de aplicación específica (ASIC) DSP, que representa aproximadamente la mitad del costo y utiliza la mitad de la energía consumida por todo el módulo. Hemos descubierto formas de realizar estas complicadas funciones de procesamiento de señales en el dominio analógico-óptico, para poder descargarlas del chip DSP y ahorrar mucha energía”.

Los enlaces coherentes de baja potencia pueden permitir la conmutación totalmente óptica, una importante tecnología emergente. Aunque no es una tecnología nueva, su uso en enormes redes de centros de datos era algo desconocido hasta el año pasado. "Nadie lo estaba haciendo realmente hasta que Google descubrió su implementación de conmutadores ópticos en centros de datos y clústeres de aprendizaje automático", explicó Coldren. "Creo que la mayoría pensó que era demasiado pronto para pensar en ello y que la tecnología actual escalaría en el futuro previsible".

La investigación del profesor Schow se centra en la estrecha integración de la electrónica y la fotónica para ampliar los límites de la velocidad y la eficiencia de los enlaces fotónicos y las redes ópticas de las que dependen cada vez más los centros de datos y las computadoras para compartir y mover datos.

Schow señala que Google recientemente sacudió a toda la industria cuando anunció que había estado implementando conmutación óptica en sus centros de datos a escala durante los últimos cinco años. "Esa fue nuestra aplicación clave desde el principio", dijo. "El hecho de que grandes pesos pesados ​​como Google lo hayan implementado, valida esta historia que hemos estado escribiendo durante un tiempo".

"Google está implementando estos interruptores ópticos y está obteniendo mejoras increíbles en rendimiento y eficiencia energética", dijo Maharry, "pero debido a que la señal tiene que pasar a través de un conjunto de componentes de conmutación óptica, es más difícil de detectar, por lo que hay que trabaja más duro para recogerlo del otro lado. Nuestros enlaces son más sólidos que los de Google y pueden tolerar una mayor pérdida de señal; Por eso estamos tan interesados ​​en esta aplicación de conmutación óptica”.

Coldren señaló: “En los últimos dos o tres años, todo el mundo ha empezado a decir que la coherencia está por llegar, pero que el futuro probablemente todavía tenga algo de espacio para los DSP rediseñados. Sin embargo, en este artículo no hay DSP. Estamos haciendo procesamiento de señales analógicas”.

Una colaboración única

Intel se asoció con el grupo de Schow para parte del proyecto, haciendo posible que varios estudiantes de doctorado de UCSB realizaran una pasantía de un año de duración. "(Estábamos) realmente trabajando en su grupo de productos y diseñando los chips para este proyecto", dijo Maharry. “Su tecnología es ideal para esta aplicación, porque la característica clave de este enfoque coherente es el oscilador local en el receptor, y uno de los grandes logros de Intel en los últimos años ha sido integrar láseres de fosfuro de indio directamente en chips de silicio, de modo que el El PIC del receptor completo se puede fabricar como una sola unidad. Pudimos trabajar con los ingenieros de Intel para diseñar y construir estos chips transmisores y receptores coherentes”.

"El modelo de envío de pasantes era único", dijo Schow. “La tecnología Intel es patentada y todavía no la ofrecen al mundo exterior, por lo que para poder colaborar tan estrechamente, nuestros estudiantes tuvieron que convertirse en empleados de Intel. Le dio a Aaron y a otros la oportunidad de trabajar y diseñar tecnología única, una experiencia que realmente no se puede obtener de otra manera”.

"Fue genial y algo abrumador", dijo Maharry. “Estábamos trabajando en un proyecto de UCSB pero pudimos interactuar con los otros grupos que Intel tiene dentro de su División de Productos Silicon Photonics. Fue increíble poder aprovechar su experiencia. "Tomamos los mismos componentes básicos que se encuentran en los PIC y EIC (esencialmente, el transmisor y el receptor) y diseñamos, construimos, optimizamos, probamos y medimos los cuatro bloques para establecer este enlace".

El transmisor tiene dos chips: un controlador electrónico y un chip transmisor fotónico. El receptor también tiene dos chips: un receptor fotónico y un chip receptor electrónico. Por lo tanto, un total de cuatro componentes componen el enlace.

Otro aspecto técnico implicó el uso de una banda de longitud de onda diferente. Hasta ahora, los enlaces coherentes se han diseñado para utilizar luz cercana a la longitud de onda de 1550 nm, que tiene la pérdida más baja a medida que la luz se mueve a través de la fibra óptica. "Pero, en nuestro trabajo, hemos construido los primeros enlaces coherentes que utilizan luz de 1.310 nm", dijo Maharry. “Dado que estamos rediseñando enlaces coherentes para alcances cortos, el uso de luz de 1550 nm para garantizar una baja pérdida de fibra ya no es crítico, y la luz de 1310 nm minimiza las distorsiones de la dispersión cromática.

“Estamos pasando de la detección directa, en la que sólo se modula la intensidad de la luz, a la detección coherente, en la que se modulan tanto la amplitud como la fase. En primera instancia, podría codificar solo una única transición 0 o 1 en la luz, pero la modulación y detección coherentes le permiten codificar más que solo ese bit en esa parte de la señal óptica. Para nosotros, el resultado ha sido un aumento de cuatro veces en la velocidad de datos”.

Shelly LeachmanDirector editorial(805) [email protected]

Comparte este artículo

La Universidad de California en Santa Bárbara es una institución de investigación líder que también brinda una experiencia integral de aprendizaje en artes liberales. Nuestra comunidad académica de profesores, estudiantes y personal se caracteriza por una cultura de colaboración interdisciplinaria que responde a las necesidades de nuestra sociedad multicultural y global. Todo esto tiene lugar dentro de un entorno de vida y aprendizaje como ningún otro, mientras nos inspiramos en la belleza y los recursos de nuestra extraordinaria ubicación al borde del Océano Pacífico.

Historias relacionadas

30 de agosto de 2023

Las experiencias de investigación inmersivas se traducen en un verano inspirador para los estudiantes universitarios

30 de agosto de 2023

Científicos cuánticos de UC Santa Bárbara llevarán a cabo una investigación financiada por la NSF para buscar tecnologías de sensores a escala cuántica

29 de agosto de 2023

Cuando el cerebro abandona el cuerpo, ¿la identidad se mueve con él? Depende de a quién le preguntes.

23 de agosto de 2023

Los fenómenos plurianuales de El Niño y La Niña podrían volverse más comunes