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2022-10-24 22:04 |
光学芯片的数据传输速度记录再次被打破
纤通信是互联网的支柱。随着数据传输技术在尺寸、速度和能效方面接近极限，需要新技术来进一步扩展数据传输容量。丹麦技术大学的科学家们在硅光子学研究方面取得了新的纪录，实现了前所未有的 1.84 PET的数据传输。更好的是，研究人员只需要使用单个“计算机芯片”作为光源，使用单根光纤电缆作为传输通道。 nB" r<?n<
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这项由 Asbjorn Arvad Jorgensen 及其同事撰写的研究，被命名为“使用芯片级微梳环形谐振器源进行每秒千兆位数据传输”。科学家们使用连接到 37 芯光缆的单个光子芯片（或“芯片级光源”），在 7.9 公里的距离上展示了上述 1.84PET的数据传输。 p'UY H t
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研究人员通过将数据流分成 37 个部分，每个部分用于光纤电缆的每个核心，从而实现了这一创纪录的传输——大约相当于一天内全球互联网流量数据量的两倍；之后，这些通道中的每一个都通过“频率梳”被分成 223 个数据块，这些数据块由电磁频谱中的不同频率表示。 OJ8 ac6cJ
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这样，数据可以在不同频率上同时传输而不受干扰。正如 Jorgensen 解释的那样，最终的结果是能够发送如此大量的数据，以至于今天现有的任何计算机技术都无法提供或接收。相反，科学家通过所有通道传递“虚拟数据”，然后他们每次测试一个通道的输出，以确认数据确实已发送并且可以以原始形式恢复。 !GI*R2<W
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根据 Jorgensen 的说法，为他们的实验而设计的整个系统需要一个连续发射的激光、一个分频器和单独的设备来将数据编码到输出流中；研究人员保证，所有这些都可以集成到单个芯片中，从而使硅光子学更接近现实。 2| ]$hjs
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正如 《自然》发表的研究中所解释的那样，“光纤通信是互联网的支柱”，但重要的核心技术正在接近其尺寸、速度和能源效率的极限。需要能够提供进一步扩展数据传输容量的新技术突破，哥本哈根科学家的工作表明，“基于氮化硅环形谐振器的单一光学频率梳源”理论上可以将互联网技术带入每秒千兆位的领域，这项技术将进入未来。 gX<"-,5jc
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硅光子学目前的研究现状 y oa"21E$
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硅适宜于制作波导传输光。例如制作采用氧化物包层的条形波导，其传输损耗小于1dB/cm。硅的透明范围从约1100nm到远红外区域。它对模式有很强的限制，因此即使在很大弯曲时也不会有很大的弯曲损耗。它也可以利用非线性实现一些特定的功能，例如通过四波混频实现放大。制作纳米锥形结构可以实现与单模光纤进行高效的耦合，具有很大的有效模式面积。 Jj+| >(P
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对于激光光源和放大器应用，由于硅具有间接带隙因此不能应用。有些在多孔硅和硅纳米颗粒方面的研究已经取得了一些进展，但是性能仍然不能与铟磷器件相比。但是，硅能够实现有效的拉曼放大，因为硅的拉曼增益系数很高，并且波导可以将模式限制在很小的范围内。 dr0<K[S_
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尽管拉曼激光器或者放大器仍然需要光泵浦源，但是它能够得到更长的波长，甚至可以产生多个波长。另一个方法是在三五族半导体材料实现有源功能，然后与硅波导结构连接起来；硅波导的衰逝场足够强能够实现有效地放大。也可以利用直接在硅上生长锗制作单片结构，其中掺杂的锗作为激光器材料。 J'^H@L/E
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采用马赫－曾德尔干涉仪和相位调制能够得到硅基光调制器：通过在电极注入载流子可以改变干涉仪一个干涉臂的折射率，然后转化成相位变化引起传输功率的变化。还可以采用微环谐振腔。这种器件可以达到几个千兆的传输带宽。在硅上采用外延层锗也可以实现非常紧凑和高效率的电吸收调制器。 USfpCRj9
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硅光电探测器只对波长小于1100nm的光敏感。在1500nm或1300nm附近通信波长的光电探测器可以采用SiGe材料实现。但是由于晶格失配会产生新的问题，产生晶格缺陷。 *y[i~{7 :
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硅光子技术的主要优势 q<(yNqMKP
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现在，硅光子行业可以在晶圆上有效地制造光芯片，光芯片的其中一项主要优势是它们能够实现、扩展和增加数据传输。传统的长距离连接是通过铜来互连的，但面对日益增长的带宽和能耗需求，铜互连的效果逐渐接近极限。现在的数据中心已经开始使用光来连接，因此在网络架构中可以更多实现短距离连接。将光连接到距离接口ASIC更近的地方是当下的最新趋势，即从可插拔光收发器移到与接口处于同一封装内的光学I/O芯片中。这样做可以缩短高速SerDes链路的距离，从而降低I/O的总体能耗。
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