芯片|瑞士开发出全新等离子光学芯片能用光进行超高速数据传输低薪|光学|芯片|数据传输|瑞士

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电子和光基元件集成在一个组件中
瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员已经实现了科学家们20多年来一直试图做的事情：作为欧洲地平线2020研究项目的一部分，他们在实验室研究中制造出了一种芯片，这种芯片可以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。这对于利用光来传输数据的光通信基础设施，如光纤网络的效率来说是一个重大突破。
在世界很多城市，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。然而，到本十年末，即使是这些光通信网络在快速数据传输方面也可能达到极限。
这是由于流媒体、存储和计算等在线服务的需求不断增长，以及人工智能和5G网络的出现。如今的光网络实现的数据传输速率在每秒千兆比特左右，未来，传输速率将需要达到太比特区域（每秒10的12方比特）。
苏黎世联邦理工学院光电与通信教授于尔根·鲁特霍尔德（Juerg Leuthold）说：“不断增长的需求将呼唤新的解决方案。这种模式转变的关键在于将电子和光子元素结合在单一芯片上。”
【 芯片|瑞士开发出全新等离子光学芯片能用光进行超高速数据传输】光子学领域研究的是用于信息传输、存储和处理的光学技术。
在与德国、美国、以色列和希腊的合作进行的一项实验中，研究人员首次将电子和光基元素结合在一块相同的芯片上。从技术角度来看，这是一个巨大的进步，因为目前这些元素必须在单独的芯片上制造，然后用电线连接起来。
这种做法是有后果的：一方面，分别制造电子芯片和光子芯片的成本很高。另一方面，它阻碍了电子信号转换为光信号过程中的性能，从而限制了光纤通信网络中的传输速度。
该研究的主要作者，博士后研究员乌利·科赫（Ueli Koch）解释说：“如果使用单独的芯片将电子信号转换为光信号，就会损失大量的信号质量。这也限制了利用光进行数据传输的速度。”
新的方法是从调制器开始的，调制器是芯片上的一个组件，它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。

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数据可以更快地传输
这种小型化是通过将电子元件和光子元件紧紧地叠加在一起，就像两层一样，并通过“片上通孔”将它们直接连接到芯片上实现的。这种电子学和光电子学的分层缩短了传输路径，降低了信号质量方面的损失。由于电子和光电元件都是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"。
在过去的20年里，单片式方法是失败的，因为光子芯片比电子芯片大得多。鲁特霍尔德教授说，这使得它们无法在单个芯片上进行组合。光子元件的尺寸使得它们不可能与当今电子产品中普遍采用的金属氧化物半导体(CMOS)技术相结合。
他说：“我们现在已经克服了光子学和电子学之间的尺寸差异，用等离子光学取代了光子学。”
十年来，科学家们一直预测，作为光子学分支的等离子光学可以为超快芯片提供基础。等离子光学可以用来将光波挤压到比光的波长小得多的结构中。

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单片电子-光子发射器
由于等离子光学芯片比电子芯片更小，所以现在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（上图中红色部分）包含一个质子强度调制器。这是以金属结构为基础，引导光线以达到更高的速度。
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”的处理过程中，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100千兆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。
根据鲁特霍尔德教授的说法，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。