導(dǎo)讀

據(jù)瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）官網(wǎng)近日報道，該校研究人員開發(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)也可能會達(dá)到其極限。

這是因?yàn)榱髅襟w、存儲與計算等在線服務(wù)的需求不斷增長，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。每個通道和波長的限制為每秒100吉比特左右。然而，未來數(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。該芯片同時結(jié)合了多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，鑒于人們對于流媒體和在線服務(wù)的需求不斷增長，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組件中。（圖片來源：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)家們約二十年來一直在追求的目標(biāo)。在作為歐盟地平線2020計劃研究項(xiàng)目一部分的實(shí)驗(yàn)室工作中，他們制造出了這款芯片。高速電子信號在芯片上可被直接轉(zhuǎn)換成超高速光信號，信號質(zhì)量幾乎沒有損失。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：“不斷增長的需求呼喚新的解決方案。這個范式轉(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?！惫庾訉W(xué)（光粒子科學(xué)）領(lǐng)域研究用于信息傳輸、存儲和處理的光學(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。在與來自德國、美國、以色列和希臘的伙伴們合作開展的實(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)角度來看，這是一個巨大的進(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，這種方法會帶來后果：從一方面說，分別制造電子芯片和光子芯片是很昂貴的。從另一方面說，在將電子信號轉(zhuǎn)化光信號的過程中，性能會受到影響，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：“如果你用兩個單獨(dú)的芯片將電子信號轉(zhuǎn)化為光信號，你的信號質(zhì)量會大大受損。”因此，他的方案是從調(diào)制器開始。調(diào)制器是一種位于芯片上的元件，通過將電信號轉(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“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質(zhì)量方面的損耗。因?yàn)殡娮悠骷c光子器件安裝在單個基底上，所以研究人員將這個方案描述為“單片共集成（monolithic co-integration）”。

過去二十年來，單片方案有過失敗，因?yàn)楣庾有酒入娮有酒蟮枚?。于爾格·魯特霍爾德說，這妨礙了它們集成到單顆芯片上。光子元件的尺寸，使之無法與現(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題?！笔陙?，科學(xué)家們一直在預(yù)測，等離子體光子學(xué)（Plasmonics），作為光子學(xué)的一個分支，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。為了將電信號轉(zhuǎn)化為更快的光信號，光子層（上圖中紅色部分）包含了一個等離子體光子強(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”的過程中，四個低速輸入信號被捆綁和放大，以便它們在一起形成高速電信號。科赫表示：“然后，它會被轉(zhuǎn)化成一個高速光信號。通過這種方式，我們首次在單塊芯片上以超過每秒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，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)合起來創(chuàng)造最快的小型芯片：“我們堅信，這個解決方案也將為未來光學(xué)通信網(wǎng)絡(luò)中更快的數(shù)據(jù)傳輸鋪平道路?！?/p>