等离子体技术：AI时代光学中实现更高带宽的路径

  ICC讯  （作者：Marvell公司高级总监 Claudia Hoessbacher 与光学工程总监 Wolfgang Heni）等离子体已被用于加速药物发现、提高传感器灵敏度，甚至在罗马时代创造艺术珍品。Marvell正在进行的研究旨在利用等离子体来提升AI时代光网络的性能。等离子体技术利用表面等离子体激元（SPPs）的特性，为增强硅光（SiPho）光引擎（光模块内部的关键组件）的发展路线图提供了一条有前景的路径。

  基于等离子体的SiPho光引擎有望支持3.2T及以上速率的光模块，同时每比特占用的空间和功耗仅为现有技术模块的一小部分。制造商可利用现有晶圆厂工艺技术进行规模化生产。

  硅光、表面等离子体激元与光的尺寸

  SiPho光引擎充当电网络和光网络之间的桥梁，确保数据能在两个不同领域之间快速高效地传递。通过将数百个原本分立元件集成到单一硅片上，SiPho器件大幅降低了光学系统的成本、功耗和空间，推动了可插拔光网络的兴起。预计到2031年，光模块收入将达到640亿美元，是2025年行业总收入的3倍以上¹。

  调制器是SiPho光引擎的主要组件之一，负责控制加载数据的光的相位、幅度和频率。调制器尺寸受衍射极限限制，即光无法被压缩到波长一半量级的波导宽度内。当前SiPho调制器长度通常为3000至5000微米，工作频率为60GHz。在模块或芯片封装内，这会占据相当大且极其宝贵的空间。

  SiPho调制器虽然具有高度可扩展性和成本效益，但根本上受限于硅中光调制的物理特性，使其难以高效扩展到更高带宽。若不改变，未来的SiPho器件将难以提供AI基础设施所需的带宽。

  等离子体波导突破衍射极限

  等离子体波导通过在金属-介质界面将光压缩到衍射极限以下来解决这些挑战。这些结构直接集成到硅光子平台上，使业界能够在已建立的SiPho基础上，同时融入等离子体的性能优势。

  等离子体波导由填充有活性Pockels材料的金属-介质通道构成，集成到SiPho器件或其他光子材料系统中。在金属-介质界面，金属中的自由电子与入射激光强耦合，形成SPPs。这种强耦合将光有效限制在远小于其自身波长的尺度内，并增强局部电场幅度。

  因此，等离子体器件对电信号的响应速度远快于传统光子调制器，能够实现更高的调制速率。等离子体调制器的调制效率也远高于传统光子调制器，因此其长度自然更短。Marvell已开发出长度约10微米的等离子体调制器原型，比现有SiPho器件短300到500倍，工作频率达到1THz，即超过现有速度的10倍²。

  带宽密度指数级提升

  调制方式的这种变化使带宽密度呈指数级增长：每平方毫米每秒传输的数据量远超传统光子学系统。虽然通道中会产生一定信号损耗，但调制器相对较短的长度将损耗对信号质量和误码率的影响降至最低。从宏观角度看，等离子体器件将微米级尺寸和THz级调制速度与成熟硅光子的规模和经济效益相结合，使设计人员能够在不切换新材料体系的前提下扩展现有SiPho平台的能力。所有这些器件均可利用改良的硅工艺生产，在制造接近尾声时加入金属电介质。

图一： 基于等离子体的调制器顶视图和侧视图渲染图。来源：Marvell，Polariton

图二： 等离子体调制器1 THz电光（EO）带宽的实验测量。³

  带宽密度提升的应用场景

  带宽密度的提升可通过多种方式加以利用。面向内部扩展或向上扩展应用的共封装光学器件，基于等离子体的SiPho引擎可在同等或更高带宽下，大幅减少这些空间受限、延迟敏感环境中的面积和功耗。这些器件在功耗、性能和节省空间方面的特性，使其成为下一代超紧凑共封装光互连的理想选择。

图三： 集成等离子体器件的驱动器示意图，附带比例尺测量标注。⁴

  在应用光谱的另一端，面向横向扩展网络的基于等离子体的SiPho引擎可用于开发紧凑、超快且节能的ZR/ZR+级模块，以更低功耗在更远距离传输更多数据。围绕大规模并行等离子体阵列设计的新型模块也是另一可能。从宏观角度看，这些改进有助于提高利用率、减少网络拥塞并降低基础设施的总体拥有成本。

  从生命科学到光学

  Polariton（现为Marvell的一部分）和苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）对将等离子体用于光通信的研究已超过15年⁵。2022年，Polariton和ETH展示了等离子体调制器可在量子计算所需的低温下工作，而传统光学在该领域面临挑战⁶。去年，两家公司以1.1THz等离子体调制器的演示创造了世界纪录⁷。2026年，包含等离子体转发器、能够支持400G/lane的高速SiPho器件已交付客户。这项工作目前正在Marvell继续推进。

  该技术仍处于商业化的早期开发阶段。下一阶段的重点是提高器件的可靠性和性能，以及完善制造方法以实现规模化生产。尽管如此，迄今取得的成果令人鼓舞。未来可期待Marvell在等离子体技术方面带来更多消息。

  ¹ LightCounting市场预测，2026年4月。

  ² Marvell估算。

  ³ D. Moor等，2024年11月。

  ⁴ Ueli Koch，2019年。

  ⁵ Juerg Leuthold，苏黎世联邦理工学院电磁场研究所，2026年4月。

  ⁶ ETH和Polariton，2022年9月。

  ⁷ Polariton，2025年3月。

  原文：https://www.marvell.com/blogs/plasmonics-higher-bandwidth-optics-ai-era.html