突破超高速數(shù)據(jù)傳輸！全新等離子芯片問世

李亞山

在類似瑞士蘇黎世這樣的現(xiàn)代都市里，光纖網(wǎng)絡已經(jīng)廣泛應用于高速互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字電話、電視，以及網(wǎng)絡視頻音頻流媒體服務。然而，預計到 2030 年，這些光纖網(wǎng)絡可能將達到其數(shù)據(jù)傳輸速度的極限。

隨著人工智能和 5G 網(wǎng)絡的出現(xiàn)和快速發(fā)展，整個市場對在線流媒體、存儲和計算服務的需求在不斷增長。現(xiàn)在，光纖網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸速率為千兆位（109 位）/ 秒，每個通道和波長的限制約為 100 千兆位。然而，在未來，傳輸速率需求將達到 1000 千兆位（1012 位）/ 秒。

這種新的高度集成的芯片首次將速度最快的電子元件和光子元件集成在一起

好消息是，近日，蘇黎世聯(lián)邦理工學院的研究人員開發(fā)出了一款超高速芯片，可以加快光纖網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)傳輸速度。作為歐洲 Horizon 2020 研究項目的一部分，研究人員在實驗室中成功制造出一款芯片。在該芯片上，快速電子信號可以直接轉(zhuǎn)換成超快光信號，而且?guī)缀鯖]有質(zhì)量損失。要知道，針對這一研究科學家們已經(jīng)努力了 20 年之久。這一成果代表了光纖網(wǎng)絡等利用光傳輸數(shù)據(jù)的光通信基礎設施在效率方面取得了重大突破。

創(chuàng)新：電子、光子元件集成在了同一塊芯片上

“不斷增長的需求需要新的解決方案。”蘇黎世聯(lián)邦理工學院光子學和通信教授于爾格·魯特霍爾德說：“這一研究的關鍵在于將電子和光子元件集成在一塊芯片上。”

蘇黎世聯(lián)邦理工學院的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)精確地制造出了這種高度集成芯片。在一項與德國、美國、以色列和希臘的合作伙伴進行的實驗中，他們首次實現(xiàn)將電子和光子元件放在同一個芯片上。

研究小組的博士后研究員、論文第一作者 烏利·科赫解釋說，從技術角度來看，這是一個巨大的進步。目前，人們必須在單獨的芯片上制造這些元件，然后將它們用電線連接起來。這種方法的缺點是：一方面，單獨制造電子芯片和光子芯片非常昂貴;另一方面，它妨礙了將電信號轉(zhuǎn)換為光信號的性能，因此限制了光纖通信網(wǎng)絡的傳輸速度。該研究發(fā)表在《自然電子》雜志上。

由于在單個芯片上集成了電子和光子元件，光信號可以被放大，數(shù)據(jù)可以更快地傳輸

尺寸緊湊且能達到最大速度

科赫說：“如果用單獨的芯片把電子信號轉(zhuǎn)換成光信號，就會有大量的信號質(zhì)量損失，這也限制了光傳輸數(shù)據(jù)的速度。”因此，他從芯片上的調(diào)制器開始入手。調(diào)制器作為將電信號轉(zhuǎn)換成一定強度的光信號的元件，它的尺寸必須盡可能小，避免轉(zhuǎn)換過程中質(zhì)量和強度的損失，才能以更快的速度傳輸光信號——也就是數(shù)據(jù)。

這種高度集成的芯片是通過將電子和光子元件兩層緊密地疊在一起，并通過 “片上通孔” 將它們直接連接到芯片上而實現(xiàn)的。這種電子和光子元件的分層縮短了傳輸路徑，減少了信號質(zhì)量方面的損失。由于電子和光子是集成在單一的基板上的，研究人員將這種方法稱為“單片集成”。

于爾格·魯特霍爾德說，光子元件的尺寸使得它不可能與當今電子學中普遍使用的金屬氧化物半導體（CMOS）技術相結(jié)合。在過去的 20 年里，由于光子芯片比電子芯片大得多，單片集成的方法一直沒能成功。這也一直阻礙了它們的集成之路。

等離子體：半導體芯片的神奇藥劑

魯特霍爾德說：“我們現(xiàn)在已經(jīng)克服了光子芯片和電子芯片之間的尺寸差異，并用等離子體取代了光子。”十年來，科學家們一直在測試等離子體，這是光子學的一個分支，可以為超快芯片提供基礎。等離子體可以把光波壓縮到比光的波長小得多的結(jié)構中。

由于等離子體芯片比電子芯片更小，現(xiàn)在實際上是有可能制造出更緊湊的、包含光子層和電子層的單片集成芯片。為了將電信號轉(zhuǎn)換為更快的光學信號，光子層（圖中紅色部分）包含一個等離子體強度調(diào)制器，它基于金屬結(jié)構，引導光信號達到更高的速度。

這也使得電子層（圖中的藍色部分）的速度增加。在一個叫做 “4：1 多路復用” 的過程中，四個低速輸入信號被捆綁并放大，最后一起形成一個高速電信號。科赫說：“然后將它們轉(zhuǎn)換為高速光信號。通過這種方式，我們首次實現(xiàn)在單片芯片上以每秒 100 千兆位的速度傳輸數(shù)據(jù)。”

巧妙結(jié)合實現(xiàn)最大速度

為了達到這一破紀錄的速度，研究人員不僅將等離子體與經(jīng)典的 CMOS 技術相結(jié)合，還結(jié)合了更快的 BiCMOS 技術。他們還使用了一種來自華盛頓大學的新的溫度穩(wěn)定的光電材料，并借鑒了 Horizon 2020 項目的 insights PLASMOfab 和 plaCMOS 的相關經(jīng)驗。根據(jù)魯特霍爾德的說法，他們的實驗表明，這些技術可以結(jié)合起來制造出最快的集成芯片之一：“我們相信，這種解決方案也可以為未來光通信網(wǎng)絡中更快的數(shù)據(jù)傳輸鋪平道路。”（摘自美《深科技》）（編輯/華生）