超高速数据传输的全新等离子体芯片

超高速数据传输的全新等离子体芯片。

日前，苏黎世联邦理工学院的研究人员突破了科学界进行了20余年的一项技术难题：作为欧洲地平线2020研究计划的一部分，科研人员制造出了一款芯片，能将快速的电子信号直接转化为超速光信号，并且几乎没有信号质量的流失。这意味着在利用光传输数据的光纤通信设施方面取得了重大的突破。

在类似于苏黎世这样的城市，光纤网络已经广泛应用于高速传输网络、数字电话、电视以及网络视频或音频服务。可是，预计到2030年，这些光纤通讯网络将达到其高速数据传输的极限。

这是由于对流媒体、存储和计算的在线服务要求在不断的提高，同时还有人工智能和5G的出现。今天的光纤网络传输数据的速度已经接近每秒千兆比特，每个通道和波长的限制约为100千兆比特。可是，未来的传输速度需要达到1000千兆比特（每秒1012比特）。

电子与光子在同一块芯片上

苏黎世理工学院光电与通讯学教授Juerg Leuthold表示：“不断增长的需求需要寻找新的解决方案，研究的关键在于要将电子与光子元素集成在同一块芯片中，而且光电领域需要为数据传输、储存和信息处理研发出相关的光纤技术。”

此次苏黎世联邦理工学院的研究人员在与德国、美国、以色列和希腊等地的科学家的合作实验中准确地将两者相结合，他们首次将电子与光元素放在同一块芯片上。从技术层面来说，这是一次巨大的进步，因为以目前的技术，这两种不同的元素需要放在两个不同的芯片上制造，然后再用电线将两个芯片连接在一起。此次研究的作者之一、博士后Ueli Koch表示，这种方法带来的结果：一方面分开制造电子芯片和光子芯片成本较高；另一方面，将影响电子信号转换为光信号的效果，削减了光纤通讯网络的传输速度。

如果用单独的芯片将电子信号转换为光信号，不仅会丢失大量的信号质量，同时也会限制光子传输数据的速度。因此，在这项实验中，研究人员一开始运用从芯片中的一个元件——调制器，形成一种由电子信号转化成的已知强度的光。调节器的尺寸必须尽可能的小，以避免在转化过程中出现质量和强度的流失，也是为了使传输光或数据的速度比目前的技术更快。

这种高度集成的芯片是通过将电子和光子元素紧密地叠加在一起形成的，就像两个材料层一样，通过“片上通孔”的方式，将它们直接连接在芯片上。这种电子和光子的分层缩短了传输路径，并减少了信号质量的流失。当电子和光子集成在同一个基片上时，研究人员将这种方法称为“单片集成”。

在过去的20年里，由于光子芯片要远远大于电子芯片，这种单片集成的方法一直没有取得成功，就阻碍了将两种元素整合在同一块芯片上。光子元件的尺寸使它无法与金属氧化物半导体相结合，而如今这项技术已经非常普遍。

半导体芯片的魔法药水

Leuthold表示：“现在我们可以用等离子体取代光子的方法，克服光子与电子之间的尺寸差异。”由于电子器件的信息载荷量有限，无法满足对高速高容量信息处理的要求。而光子器件尺寸一般都在波长量级，随着尺寸减小损耗会很快上升，无法完成与纳米级的电子元件的互连。表面等离子体波同时具有高局域和高带宽的特性，成为一个理想的解决方案。10年间，科学家们一直在测试等离子体（光子的一个分支），可以为超速芯片提供基底。表面等离子体光子学，被用来将光波压缩进比光波长度更小的结构中。

众所周知，电子回路提供了控制电子输运和储存的能力。但是，利用电路进行数字信息保真传送时，面临着相当大的限制，光子学给出了一个解决难题的有效途径，构筑基于光纤和光子回路的光通信系统，就是一个很好的方案。

可惜的是，光子元件的尺寸是微米量级，而电子元件和回路尺寸要小得多(纳米量级)，因此，不可能将它们二者集成一体于纳米尺度的芯片中。表面等离子体光子学的诞生，使得基于表面等离子体激元的元件和回路具有纳米尺度，从而可实现光子与电子元器件，在纳米尺度上完美的结合。

组合更多优势技术

由于等离子体芯片比电子芯片更小，实际上现在可能制造出更紧密、包含光子层和电子层的单片集成芯片。为了将电子信号转换为更快的光信号，光子层需要包含一个等离子体强度调制器，它基于金属结构，引导光信号达到更高的速度。除此之外，电子层的速度也有所提高。在一个被称为“4∶1多路复用”的过程中，4个低速输入信号被捆绑在一起并增强，因此联合形成了一种高速电信号，然后将其转换为高速光信号。研究人员表示通过这种方式，他们第一次能够在单片芯片上以每秒超过100G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学与经典CMOS电子技术相结合，还采用了速度更快的BiCMOS(双极互补金氧半导体)技术。CMOS技术是利用矽感光二级体进行光与电的转换，其优点在于低功耗、性能稳定。

这种转换原理与太阳能电池效应相近，光线越强、电力越强；反之，光线越弱、电力也越弱。CMOS技术的放大电路集成在芯片内就能完成数字编码。而BiCMOS技术是把双极型晶体管和CMOS器件同时集成在同一块芯片上的新型工艺技术，充分发挥两者的优势，使其既具有双极电路高速、强驱动力的优点，又具有CMOS高集成度、低功耗的特点。同时，他们还使用了华盛顿大学研发的一种新型温度稳定的电光材料，以及欧盟地平线2020项目PLASMOfab和PLACMOS的相关经验。Leuthold表示：“我们的实验表明可以结合这些技术，创造出世界上最快的紧凑型芯片之一，我们相信这种解决方案能为未来在光纤通信网络中更快的数据传输铺平道路。”

编译自《物理世界》

（责任编辑 姜懿翀）