全新等离子体光子芯片：利用光进行超高速数据传输

导读

据瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）官网近日报道，该校研究人员开发出一款超高速芯片，可以加快光纤网络中的数据传输速度。

背景

像瑞士苏黎世这样的城市中，光纤网络已经广泛用于实现高速互联网、数字电话、电视以及基于网络的视频流或者音频流服务。但是，到这个十年末，在高速数据传输方面，即使光通信网络也可能会达到其极限。

光纤（图片来源：维基百科）

这是因为流媒体、存储与计算等在线服务的需求不断增长，以及人工智能和5G网络的出现。当今的光网络实现了每秒吉比特（10^9比特）范围内的数据传输速率。每个通道和波长的限制为每秒100吉比特左右。然而，未来数据传输速率的需求将达到每秒太比特（10^12比特）的范围。

（图片来源：RMIT）

创新

近日，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）的研究人员开发出一款超高速芯片，可以加快光纤网络中的数据传输速度。该芯片同时结合了多项创新技术，鉴于人们对于流媒体和在线服务的需求不断增长，它代表着一项重大进展。相关论文发表在《自然·电子学（Nature Electronics）》杂志上。

下图所示：高速紧凑的新型芯片首次将最快的电子器件与光基元件集成到单个组件中。

（图片来源：苏黎世联邦理工学院/《自然·电子学》）

苏黎世联邦理工学院实现了科学家们约二十年来一直在追求的目标。在作为欧盟地平线2020计划研究项目一部分的实验室工作中，他们制造出了这款芯片。高速电子信号在芯片上可被直接转换成超高速光信号，信号质量几乎没有损失。这代表着在使用光传输数据的光通信基础设施（例如光纤网络）的效率方面取得了重大突破。

技术

苏黎世联邦理工学院光子与通信系教授于尔格·鲁特霍尔德（Juerg Leuthold）表示：“不断增长的需求呼唤新的解决方案。这个范式转移的关键在于，将电子元件与光子元件结合到单颗芯片上。”光子学（光粒子科学）领域研究用于信息传输、存储和处理的光学技术。

苏黎世联邦理工学院研究人员现在已经精确地实现了这一组合。在与来自德国、美国、以色列和希腊的伙伴们合作开展的实验中，他们首次在同一颗芯片上将电子元件与光基元件结合到一起。从技术角度来看，这是一个巨大的进步，因为目前这些元件必须在不同的芯片上制造，然后通过线连接到一起。

这项研究的领导作者、鲁特霍尔德课题组的博士后研究员乌利·科赫（Ueli Koch）解释道，这种方法会带来后果：从一方面说，分别制造电子芯片和光子芯片是很昂贵的。从另一方面说，在将电子信号转化光信号的过程中，性能会受到影响，从而限制了光纤光学通信网络中的数据传输速度。

科赫表示：“如果你用两个单独的芯片将电子信号转化为光信号，你的信号质量会大大受损。”因此，他的方案是从调制器开始。调制器是一种位于芯片上的元件，通过将电信号转化为光波生成给定强度的光。调制器的尺寸必须尽可能小，以避免转化过程中的质量和强度的损耗，并且以更快的速度传输光（或者说是数据）。

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将电子和光子元件紧紧地放在彼此的顶部，并通过“片上通孔”的方式将它们直接连接到芯片上，可以实现这种紧凑性。电子器件与光子器件的这种层叠，缩短了传输距离并减少了信号质量方面的损耗。因为电子器件与光子器件安装在单个基底上，所以研究人员将这个方案描述为“单片共集成（monolithic co-integration）”。

单片的“电子-等离子体光子“高速发射器（图片来源：参考资料【1】）

过去二十年来，单片方案有过失败，因为光子芯片比电子芯片要大得多。于尔格·鲁特霍尔德说，这妨碍了它们集成到单颗芯片上。光子元件的尺寸，使之无法与现今电子产品中流行的互补金属氧化物半导体（CMOS）技术结合到一起。

鲁特霍尔德表示：“现在，我们已经用等离子体光子器件取代普通的光子器件，解决了光子器件与电子器件之间的尺寸差异问题。”十年来，科学家们一直在预测，等离子体光子学（Plasmonics），作为光子学的一个分支，将为超高速芯片奠定基础。等离子体光子学可以让光波挤进比光波长小得多的结构中。

下图所示：单颗芯片上结合了电子技术和等离子体光子技术，因此可以放大光信号，并更快地传输数据。

（图片来源：IEF/Springer Nature Ltd.）

由于等离子体光子芯片比电子芯片要小，所以我们现在实际上可以制造出包含光子层和电子层的更紧凑的单块芯片。为了将电信号转化为更快的光信号，光子层（上图中红色部分）包含了一个等离子体光子强度调制器，它是基于引导光达到更高速度的金属结构。

这也带来了电子层（上图中蓝色部分）中的速度提升。在称为“4:1 多路复用”的过程中，四个低速输入信号被捆绑和放大，以便它们在一起形成高速电信号。科赫表示：“然后，它会被转化成一个高速光信号。通过这种方式，我们首次在单块芯片上以超过每秒100吉比特的速度传输数据。”

为了达到破纪录的速度，研究人员不仅将等离子体光子技术与经典的 CMOS 技术结合起来，而且还结合了更高速的双极互补金属氧化物半导体（BiCMOS）技术。他们也利用了来自华盛顿大学的温度稳定的新型电光学材料，并借鉴了地平线2020项目 PLASMOfab 和 plaCMOS 的见解。据鲁特霍尔德称，他们的实验表明，这些技术可以结合起来创造最快的小型芯片：“我们坚信，这个解决方案也将为未来光学通信网络中更快的数据传输铺平道路。”

关键词

光子、电子、等离子体

参考资料

【1】Koch, U., Uhl, C., Hettrich, H. et al. A monolithic bipolar CMOS electronic–plasmonic high-speed transmitter. Nature Electronics 3, 338–345 (2020). DOI: 10.1038/s41928-020-0417-9

【2】Moazeni, S. CMOS and plasmonics get close. Nature Electronics 3, 302–303 (2020). DOI: 10.1038/s41928-020-0426-8

【3】https://devicematerialscommunity.nature.com/posts/a-monolithic-bipolar-cmos-electronic-plasmonic-high-speed-transmitter

【4】https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2020/07/new-plasmonic-chip-for-ultrafast-data-transmission-using-light.html