在类似瑞士苏黎世这样的现代都市里，光纤网络已经广泛应用于高速互联网、数字电话、电视，以及网络视频音频流媒体服务。然而，预计到 2030 年，这些光纤网络可能将达到其数据传输速度的极限。
随着人工智能和 5G 网络的出现和快速发展，整个市场对在线流媒体、存储和计算服务的需求在不断增长。现在，光纤网络的数据传输速率为千兆位（109 位）/ 秒，每个通道和波长的限制约为 100 千兆位。然而，在未来，传输速率需求将达到 1000 千兆位(1012 位)/ 秒。
好消息是，近日，苏黎世联邦理工学院的研究人员开发出了一款超高速芯片，可以加快光纤网络中的数据传输速度。作为欧洲 Horizon 2020 研究项目的一部分，研究人员在实验室中成功制造出一款芯片。在该芯片上，快速电子信号可以直接转换成超快光信号，而且几乎没有质量损失。要知道，针对这一研究科学家们已经努力了 20 年之久。这一成果代表了光纤网络等利用光传输数据的光通信基础设施在效率方面取得了重大突破。
图 | 这种新的高度集成的芯片首次将速度最快的电子元件和光子元件集成在一起。来源：苏黎世联邦理工学院 / Nature Electronics
创新：电子、光子元件集成在了同一块芯片上
“不断增长的需求需要新的解决方案，”苏黎世联邦理工学院光子学和通信教授 Juerg Leuthold 说，“这一研究的关键在于将电子和光子元件集成在一块芯片上。”
苏黎世联邦理工学院的研究人员现在已经精确地制造出了这种高度集成芯片。在一项与德国、美国、以色列和希腊的合作伙伴进行的实验中，他们首次实现将电子和光子元件放在同一个芯片上。
研究小组的博士后研究员、论文第一作者 Ueli Koch 解释说，从技术角度来看，这是一个巨大的进步。目前，人们必须在单独的芯片上制造这些元件，然后将它们用电线连接起来。这种方法的缺点是：一方面，单独制造电子芯片和光子芯片非常昂贵；另一方面，它妨碍了将电信号转换为光信号的性能，因此限制了光纤通信网络的传输速度。该研究发表在《自然电子》杂志上。
尺寸紧凑且能达到最大速度
Koch 说：“如果用单独的芯片把电子信号转换成光信号，就会有大量的信号质量损失，这也限制了光传输数据的速度。”因此，他从芯片上的调制器开始入手。调制器作为将电信号转换成一定强度的光信号的元件，它的尺寸必须尽可能小，避免转换过程中质量和强度的损失，才能以更快的速度传输光信号——也就是数据。
这种高度集成的芯片是通过将电子和光子元件两层紧密地叠在一起，并通过 “片上通孔” 将它们直接连接到芯片上而实现的。这种电子和光子元件的分层缩短了传输路径，减少了信号质量方面的损失。由于电子和光子是集成在单一的基板上的，研究人员将这种方法称为“单片集成”。
Juerg Leuthold 说，光子元件的尺寸使得它不可能与当今电子学中普遍使用的金属氧化物半导体（CMOS）技术相结合。在过去的 20 年里，由于光子芯片比电子芯片大得多，单片集成的方法一直没能成功。这也一直阻碍了它们的集成之路。
等离子体：半导体芯片的神奇药剂
Leuthold 说：“我们现在已经克服了光子芯片和电子芯片之间的尺寸差异，并用等离子体取代了光子。”十年来，科学家们一直在测试等离子体，这是光子学的一个分支，可以为超快芯片提供基础。等离子体可以把光波压缩到比光的波长小得多的结构中。
图 | 由于在单个芯片上集成了电子和光子元件，光信号可以被放大，数据可以更快地传输。（来源：IEF/Springer Nature Ltd.）
由于等离子体芯片比电子芯片更小，现在实际上是有可能制造出更紧凑的、包含光子层和电子层的单片集成芯片。为了将电信号转换为更快的光学信号，光子层（图中红色部分）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。
这也使得电子层（图中的蓝色部分）的速度增加。在一个叫做 “4:1 多路复用” 的过程中，四个低速输入信号被捆绑并放大，最后一起形成一个高速电信号。Koch 说：“然后将它们转换为高速光信号。通过这种方式，我们首次实现在单片芯片上以每秒 100 千兆位的速度传输数据。”
巧妙结合实现最大速度
为了达到这一破纪录的速度，研究人员不仅将等离子体与经典的 CMOS 技术相结合，还结合了更快的 BiCMOS 技术。他们还使用了一种来自华盛顿大学的新的温度稳定的光电材料，并借鉴了 Horizon 2020 项目的 insights PLASMOfab 和 plaCMOS 的相关经验。根据 Leuthold 的说法，他们的实验表明，这些技术可以结合起来制造出最快的集成芯片之一：“我们相信，这种解决方案也可以为未来光通信网络中更快的数据传输铺平道路。”
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