前沿科技之美科學家取得光互連研究重要進展

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近日，美國加州大學圣地亞哥分校電氣工程師研制出一種小型片上光脈沖，這將代替銅線在計算機內的芯片間傳輸信息，是邁向光互連的重要一步。該大學的工程師還開發了首個硅芯片上的超壓縮、低功耗脈沖壓縮器。這種小型化的短脈沖發生器消除了個人電腦、數據中心、成像應用等方面的使用障礙。這些光互連將利用脈沖壓縮的方法集成速度較慢的數據通道，以達到更高的數據 速率，且比銅線產生的熱量更少。這種集成器件對于未來數字信息系統中高速數字電子處理器內和處理器間的光互連發展至關重要。加州大學圣地亞哥分校領導脈沖壓縮器開發的Dawn Tan介紹：“我們的脈沖壓縮器可在芯片上實現，因此我們可以將其很容易地集成到計算機處理器中。新一代的計算機網絡和架構將很可能利用光代替銅互連，這將與互補金屬氧化物半導體（CMOS）兼容。”

光脈沖壓縮器也將提供一種高性價比的方法來生成短脈沖，可用于多種成像技術，如用于研究激光和電子行為的時間分辨光譜和用于在三維中獲得生物組織的光學相干層析技術（OCT）。
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9 K* e8 T- t, f4 Y2 A從銅線轉變為光互連除了可提高數據傳輸速率，還可以降低由熱消散、電子信號的切換和傳輸導致的功耗。
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加州大學圣地亞哥分校的Yeshaiahu Fainman教授稱：“大約20年前，當我們首次開始使用納米級的平版印刷工具來創建新的材料和器件時，我們就意識到要將納米光子學應用到信息系統中。”
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' m2 p1 @5 k6 V' b壓縮脈沖的長度只有原脈沖的八分之一，是片上最大程度的一次壓縮。目前，這種高壓縮比的脈沖壓縮只能用大量的光學器件或基于光纖的系統來實現，但這兩者都太過笨重，不適合用于計算機和其它電子設備的光互連。而被稱為集成色散元件的納米級光波控制工具主要是由Dawn Tan設計開發的，因此將高壓縮和小型化的特點結合是有可能實現的。這種新型色散元件為片上納米光子工具包提供了急需的部件。

脈沖壓縮器分兩步進行工作。第一步，進入的激光光譜被擴大，例如，如果進入的激光為綠色，輸出的有可能是紅色、綠色和藍色激光。第二步，由電子工程師開發的新的集成色散元件對光進行處理，這樣每個脈沖內的光譜都可以以同樣的速度傳輸。而脈沖壓縮就在這種速度同步中發生。

6 i  E! K; _" U9 x" G# h0 v0 Q: Z將激光想像成一串車輛。從上往下看，這些車最初是一條長長的車隊。這就類似于激光的長脈沖。在進行了第一步的脈沖壓縮后，這些車輛不再位于一條直線上，它們會并排開來，以不同的速度行進。下一步，這些車要通過一個新的色散柵，在這里，一些車要加速，一些車要減速，直到所有車輛都以同樣的速度行進，它們并列著排成一排，最后同時到達終點。
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這個例子說明了片上脈沖壓縮器是如何將長的光脈沖轉換為更寬的、暫時更短的光脈沖。這種暫時的壓縮脈沖將使數據進行多路傳輸，并實現更高的數據速度。
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Tan介紹稱：“在通信中，利用一種稱為光時分多路轉換技術（OTDM），不同的信號會被及時交叉存取，以更高的數據速率產生一種大約每秒TB級的數據流。我們開發的這種壓縮元件對于OTDM技術非常重要。”
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今后，這項工作會利用脈沖壓縮技術將多種“慢速”的帶寬通道集成到片上的單個超高速帶寬OTDM中。這種集合器件對于未來高速數字電子處理器之間和之內互連的應用非常重要，如用于數據中心、FPGA和高性能計算等。
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