全新等離子體光子芯片：利用光進行超高速數據傳輸！

背景

像瑞士蘇黎世這樣的城市中，光纖網絡已經廣泛用於實現高速互聯網、數字電話、電視以及基於網絡的視頻流或者音頻流服務。但是，到這個十年末，在高速數據傳輸方面，即使光通信網絡也可能會達到其極限。

光纖（圖片來源：維基百科）

這是因為流媒體、存儲與計算等在線服務的需求不斷增長，以及人工智能和5G網絡的出現。當今的光網絡實現了每秒吉比特（109比特）範圍內的數據傳輸速率。每個通道和波長的限制為每秒100吉比特左右。然而，未來數據傳輸速率的需求將達到每秒太比特（1012比特）的範圍。

創新

近日，瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH）的研究人員開發出一款超高速芯片，可以加快光纖網絡中的數據傳輸速度。該芯片同時結合了多項創新技術，鑑於人們對於流媒體和在線服務的需求不斷增長，它代表着一項重大進展。相關論文發表在《自然·電子學（Nature Electronics）》雜誌上。

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。

蘇黎世聯邦理工學院實現了科學家們約二十年來一直在追求的目標。在作為歐盟地平線2020計劃研究項目一部分的實驗室工作中，他們製造出了這款芯片。高速電子信號在芯片上可被直接轉換成超高速光信號，信號質量幾乎沒有損失。這代表着在使用光傳輸數據的光通信基礎設施（例如光纖網絡）的效率方面取得了重大突破。

技術

蘇黎世聯邦理工學院光子與通信系教授於爾格·魯特霍爾德（Juerg Leuthold）表示：“不斷增長的需求呼喚新的解決方案。這個範式轉移的關鍵在於，將電子元件與光子元件結合到單顆芯片上。”光子學（光粒子科學）領域研究用於信息傳輸、存儲和處理的光學技術。

蘇黎世聯邦理工學院研究人員現在已經精確地實現了這一組合。在與來自德國、美國、以色列和希臘的夥伴們合作開展的實驗中，他們首次在同一顆芯片上將電子元件與光基元件結合到一起。從技術角度來看，這是一個巨大的進步，因為目前這些元件必須在不同的芯片上製造，然後通過線連接到一起。

這項研究的領導作者、魯特霍爾德課題組的博士後研究員烏利·科赫（Ueli Koch）解釋道，這種方法會帶來後果：從一方面説，分別製造電子芯片和光子芯片是很昂貴的。從另一方面説，在將電子信號轉化光信號的過程中，性能會受到影響，從而限制了光纖光學通信網絡中的數據傳輸速度。

科赫表示：“如果你用兩個單獨的芯片將電子信號轉化為光信號，你的信號質量會大大受損。”因此，他的方案是從調製器開始。調製器是一種位於芯片上的元件，通過將電信號轉化為光波生成給定強度的光。調製器的尺寸必須儘可能小，以避免轉化過程中的質量和強度的損耗，並且以更快的速度傳輸光（或者説是數據）。

將電子和光子元件緊緊地放在彼此的頂部，並通過“片上通孔”的方式將它們直接連接到芯片上，可以實現這種緊湊性。電子器件與光子器件的這種層疊，縮短了傳輸距離並減少了信號質量方面的損耗。因為電子器件與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）”。

單片的“電子-等離子體光子“高速發射器

過去二十年來，單片方案有過失敗，因為光子芯片比電子芯片要大得多。於爾格·魯特霍爾德説，這妨礙了它們集成到單顆芯片上。光子元件的尺寸，使之無法與現今電子產品中流行的互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術結合到一起。

魯特霍爾德表示：“現在，我們已經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。”十年來，科學家們一直在預測，等離子體光子學（Plasmonics），作為光子學的一個分支，將為超高速芯片奠定基礎。等離子體光子學可以讓光波擠進比光波長小得多的結構中。

單顆芯片上結合了電子技術和等離子體光子技術，因此可以放大光信號，並更快地傳輸數據。

由於等離子體光子芯片比電子芯片要小，所以我們現在實際上可以製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度調製器，它是基於引導光達到更高速度的金屬結構。

這也帶來了電子層（上圖中藍色部分）中的速度提升。在稱為“4:1 多路複用”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：“然後，它會被轉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據。”

為了達到破紀錄的速度，研究人員不僅將等離子體光子技術與經典的 CMOS 技術結合起來，而且還結合了更高速的雙極互補金屬氧化物半導體（BiCMOS）技術。他們也利用了來自華盛頓大學的温度穩定的新型電光學材料，並借鑑了地平線2020項目 PLASMOfab 和 plaCMOS 的見解。據魯特霍爾德稱，他們的實驗表明，這些技術可以結合起來創造最快的小型芯片：“我們堅信，這個解決方案也將為未來光學通信網絡中更快的數據傳輸鋪平道路。”

【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