全新等離子體光子芯片：加快光纖網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸速度

導(dǎo)讀

據(jù)瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，該校研究人員開(kāi)發(fā)出一款超高速芯片，可以加快光纖網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸速度。

背景

像瑞士蘇黎世這樣的城市中，光纖網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)廣泛用于實(shí)現(xiàn)高速互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字電話、電視以及基于網(wǎng)絡(luò)的視頻流或者音頻流服務(wù)。但是，到這個(gè)十年末，在高速數(shù)據(jù)傳輸方面，即使光通信網(wǎng)絡(luò)也可能會(huì)達(dá)到其極限。

這是因?yàn)榱髅襟w、存儲(chǔ)與計(jì)算等在線服務(wù)的需求不斷增長(zhǎng)，以及人工智能和5G網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)。當(dāng)今的光網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了每秒吉比特（10^9比特）范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸速率。每個(gè)通道和波長(zhǎng)的限制為每秒100吉比特左右。然而，未來(lái)數(shù)據(jù)傳輸速率的需求將達(dá)到每秒太比特（10^12比特）的范圍。

創(chuàng)新

近日，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）的研究人員開(kāi)發(fā)出一款超高速芯片，可以加快光纖網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸速度。該芯片同時(shí)結(jié)合了多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，鑒于人們對(duì)于流媒體和在線服務(wù)的需求不斷增長(zhǎng)，它代表著一項(xiàng)重大進(jìn)展。相關(guān)論文發(fā)表在《自然·電子學(xué)（Nature Electronics）》雜志上。

高速緊湊的新型芯片首次將最快的電子器件與光基元件集成到單個(gè)組件中。（圖片來(lái)源：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院/《自然·電子學(xué)》）

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院實(shí)現(xiàn)了科學(xué)家們約二十年來(lái)一直在追求的目標(biāo)。在作為歐盟地平線2020計(jì)劃研究項(xiàng)目一部分的實(shí)驗(yàn)室工作中，他們制造出了這款芯片。高速電子信號(hào)在芯片上可被直接轉(zhuǎn)換成超高速光信號(hào)，信號(hào)質(zhì)量幾乎沒(méi)有損失。這代表著在使用光傳輸數(shù)據(jù)的光通信基礎(chǔ)設(shè)施（例如光纖網(wǎng)絡(luò)）的效率方面取得了重大突破。

技術(shù)

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院光子與通信系教授于爾格·魯特霍爾德（Juerg Leuthold）表示：“不斷增長(zhǎng)的需求呼喚新的解決方案。這個(gè)范式轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵在于，將電子元件與光子元件結(jié)合到單顆芯片上。”光子學(xué)（光粒子科學(xué)）領(lǐng)域研究用于信息傳輸、存儲(chǔ)和處理的光學(xué)技術(shù)。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研究人員現(xiàn)在已經(jīng)精確地實(shí)現(xiàn)了這一組合。在與來(lái)自德國(guó)、美國(guó)、以色列和希臘的伙伴們合作開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)中，他們首次在同一顆芯片上將電子元件與光基元件結(jié)合到一起。從技術(shù)角度來(lái)看，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步，因?yàn)槟壳斑@些元件必須在不同的芯片上制造，然后通過(guò)線連接到一起。

這項(xiàng)研究的領(lǐng)導(dǎo)作者、魯特霍爾德課題組的博士后研究員烏利·科赫（Ueli Koch）解釋道，這種方法會(huì)帶來(lái)后果：從一方面說(shuō)，分別制造電子芯片和光子芯片是很昂貴的。從另一方面說(shuō)，在將電子信號(hào)轉(zhuǎn)化光信號(hào)的過(guò)程中，性能會(huì)受到影響，從而限制了光纖光學(xué)通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸速度。

科赫表示：“如果你用兩個(gè)單獨(dú)的芯片將電子信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，你的信號(hào)質(zhì)量會(huì)大大受損。”因此，他的方案是從調(diào)制器開(kāi)始。調(diào)制器是一種位于芯片上的元件，通過(guò)將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光波生成給定強(qiáng)度的光。調(diào)制器的尺寸必須盡可能小，以避免轉(zhuǎn)化過(guò)程中的質(zhì)量和強(qiáng)度的損耗，并且以更快的速度傳輸光（或者說(shuō)是數(shù)據(jù)）。

將電子和光子元件緊緊地放在彼此的頂部，并通過(guò)“片上通孔”的方式將它們直接連接到芯片上，可以實(shí)現(xiàn)這種緊湊性。電子器件與光子器件的這種層疊，縮短了傳輸距離并減少了信號(hào)質(zhì)量方面的損耗。因?yàn)殡娮悠骷c光子器件安裝在單個(gè)基底上，所以研究人員將這個(gè)方案描述為“單片共集成（monolithic co-integration）”。

過(guò)去二十年來(lái)，單片方案有過(guò)失敗，因?yàn)楣庾有酒入娮有酒蟮枚唷Ｓ跔柛瘛斕鼗魻柕抡f(shuō)，這妨礙了它們集成到單顆芯片上。光子元件的尺寸，使之無(wú)法與現(xiàn)今電子產(chǎn)品中流行的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)結(jié)合到一起。

魯特霍爾德表示：“現(xiàn)在，我們已經(jīng)用等離子體光子器件取代普通的光子器件，解決了光子器件與電子器件之間的尺寸差異問(wèn)題?！笔陙?lái)，科學(xué)家們一直在預(yù)測(cè)，等離子體光子學(xué)（Plasmonics），作為光子學(xué)的一個(gè)分支，將為超高速芯片奠定基礎(chǔ)。等離子體光子學(xué)可以讓光波擠進(jìn)比光波長(zhǎng)小得多的結(jié)構(gòu)中。

由于等離子體光子芯片比電子芯片要小，所以我們現(xiàn)在實(shí)際上可以制造出包含光子層和電子層的更緊湊的單塊芯片。為了將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為更快的光信號(hào)，光子層（上圖中紅色部分）包含了一個(gè)等離子體光子強(qiáng)度調(diào)制器，它是基于引導(dǎo)光達(dá)到更高速度的金屬結(jié)構(gòu)。

這也帶來(lái)了電子層（上圖中藍(lán)色部分）中的速度提升。在稱為“4:1 多路復(fù)用”的過(guò)程中，四個(gè)低速輸入信號(hào)被捆綁和放大，以便它們?cè)谝黄鹦纬筛咚匐娦盘?hào)?？坪毡硎荆骸叭缓?，它會(huì)被轉(zhuǎn)化成一個(gè)高速光信號(hào)。通過(guò)這種方式，我們首次在單塊芯片上以超過(guò)每秒100吉比特的速度傳輸數(shù)據(jù)?！?/p>

為了達(dá)到破紀(jì)錄的速度，研究人員不僅將等離子體光子技術(shù)與經(jīng)典的 CMOS 技術(shù)結(jié)合起來(lái)，而且還結(jié)合了更高速的雙極互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（BiCMOS）技術(shù)。他們也利用了來(lái)自華盛頓大學(xué)的溫度穩(wěn)定的新型電光學(xué)材料，并借鑒了地平線2020項(xiàng)目 PLASMOfab 和 plaCMOS 的見(jiàn)解。據(jù)魯特霍爾德稱，他們的實(shí)驗(yàn)表明，這些技術(shù)可以結(jié)合起來(lái)創(chuàng)造最快的小型芯片：“我們堅(jiān)信，這個(gè)解決方案也將為未來(lái)光學(xué)通信網(wǎng)絡(luò)中更快的數(shù)據(jù)傳輸鋪平道路。”