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瑞士ETH联合团队实现超高速全新等离子体芯片 面向未来光通信网络

摘要:苏黎世联邦理工学院(ETH)联合德国、美国、以色列和希腊的研究人员,在实验室首次将电子和光子器件结合在同一块芯片上,可将快速电子信号直接转换为超快光信号--几乎没有信号质量损失。从技术角度来看,这是一个巨大的进步,能够显著提升光通信基础设施(如光纤网络)利用光来传输数据的效率。 瑞士ETH联合团队实现超高速的全新等离子体芯片

  在欧盟“地平线2020”计划的支持下,苏黎世联邦理工学院(ETH)联合德国、美国、以色列和希腊的研究人员,在实验室首次将电子和光子器件结合在同一块芯片上,可将快速电子信号直接转换为超快光信号--几乎没有信号质量损失。从技术角度来看,这是一个巨大的进步,能够显著提升光通信基础设施(如光纤网络)利用光来传输数据的效率。研究成果发表在《自然电子学》杂志上。

  在苏黎世等城市,光纤网络已经被用于提供高速互联网、数字电话、电视和基于网络的视频或音频服务(“流媒体”)。然而由于流媒体、存储和计算等在线服务需求的不断增长,以及人工智能和5G网络的出现,在目前的技术下,光通信网络在快速数据传输方面也可能达到极限。当前光网络实现的数据传输速率在每秒吉比特(10的9次方比特)左右,每个通道和波长的限制约为每秒100吉比特。要满足未来需求,传输速率需要达到太比特(每秒10的12次方比特)。

  目前光器件和电器件都必须在单独芯片上制造,然后用电线连接起来,带来的弊端一方面是电芯片和光芯片单独制造的成本很高,另一方面是在电信号转换为光信号过程中降低了性能,限制了光纤通信网络中的传输速度。课题研究人员Ueli Koch说:“如果使用单独的芯片将电信号转换为光信号,会损失大量的信号质量。也限制了利用光进行数据传输的速度。”

  ETH光电与通信教授Juerg Leuthold说:“不断增长的需求寻求新的解决方案。这种范式转变的关键在于将电和光元素结合在单一芯片上。”以此可放大光信号和更快速率传输数据。但在过去的20年里,单片集成方法难以实现,因为光芯片比电芯片大得多,不可能与当今电子领域盛行的金属氧化物半导体(CMOS)技术结合,也无法在单个芯片上进行组合。

  此次突破从调制器开始的,通过将电子信号转换成光波来产生给定强度的光。调制器的尺寸必须尽可能小,以避免在转换过程中损失质量和强度,并以比现在更快的速度传输光--或者说数据。这种小型化是通过将电器件和光器件紧紧地叠加在一起,就像两层一样,并通过“片上通孔”将其直接连接到芯片上实现的。通过分层实现电器件和光器件,缩短了传输路径,降低了信号质量损失。由于在一块基板上实现的,研究人员将这种方法称为“单片协同集成”。

  Leuthold说:“我们用等离子体光子学克服了光学和电学之间的尺寸差异。”十年来,科学家们一直预测,作为光子学分支的等离子体光子学可以为超快芯片提供基础。等离子体光子学可以用来将光波挤压到比光波长小得多的结构中。

  由于等离子体芯片比电子芯片更小,所以实际上可以制造出更紧凑的单片芯片,其中包含光子层和电子层。为了将电子信号转换为更快的光信号,光子层(图中红色部分)包含一个等离子体强度调制器,以金属结构为基础的,可以引导光线达到更高的速度。

       除此之外,电子层的速度也有所提高(图中蓝色所示)。在一个被称为“4:1多路复用”的过程中,四个较低速的输入信号被捆绑并放大,使它们共同形成一个高速电信号。然后将其转换为高速光信号。通过这种方式,研究人员第一次能够在单片芯片上以每秒超过100吉比特的速度传输数据。

  为了达到这一破纪录的速度,研究人员不仅将等离子体学与经典CMOS电子技术相结合,还与速度更快的BiCMOS技术相结合。他们还利用了华盛顿大学的一种新型温度稳定的电光材料,以及地平线2020项目PLASMOfab和plaCMOS的成果。根据Leuthold的说法,他们的实验表明,这些技术可以结合起来,创造出最快的紧凑型芯片之一。

  Leuthold说:“我们相信,这种解决方案能为未来光通信网络中更快的数据传输铺平道路。”


内容来自:大国重器高端电子元器件
本文地址:http://www.iccsz.com//Site/CN/News/2020/07/06/20200706043137117319.htm 转载请保留文章出处
关键字: 等离子体
文章标题:瑞士ETH联合团队实现超高速全新等离子体芯片 面向未来光通信网络
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