Чип для сверхскоростной передачи данных.

Ученые из Швейца́рской вы́сшей техни́ческой шко́лы Цю́риха добились того, что пытались сделать уже около 20 лет: в своей работе в рамках европейского исследовательского проекта «Горизонт 2020» они изготовили чип, который может преобразовывать быстрые электронные сигналы непосредственно в сверхскоростные световые — практически без потери качества сигнала. Это представляет собой значительный прорыв с точки зрения эффективности оптических коммуникационных инфраструктур, использующих свет для передачи данных, например, волоконно-оптических сетей.

В таких городах, как Цюрих, эти оптоволоконные сети уже используются для предоставления высокоскоростного Интернета, цифровой телефонии, телевидения и сетевых видео- или аудиоуслуг. Однако к концу этого десятилетия эти оптические сети достигнут своих пределов, если речь зайдет о быстрой передаче данных.

Причина этому – быстро растущий спрос на онлайн-услуги по потоковой передаче, хранению и вычислениям, а также появление искусственного интеллекта и сетей 5G. Современные оптические сети достигают скорости передачи данных в районе гигабит (10^9 бит) в секунду. Предел составляет около 100 гигабит на одну полосу и длину волны. Однако в будущем скорость передачи данных должна будет достигать порядка терабитов (10^12 бита в секунду).

Электроника и свет в одном чипе.

«Растущий спрос потребует новых решений», — говорит Юрг Лейтхольд, профессор кафедры фотоники и коммуникаций. «Ключ к такому изменению парадигмы лежит в объединении электронных и фотонных элементов на одном чипе». В области фотоники (наука о частицах света) изучаются оптические технологии передачи, хранения и обработки информации.

В настоящее время исследователи добились именно такого сочетания: в ходе эксперимента, проведенного в сотрудничестве с партнерами в Германии, США, Израиле и Греции, им впервые удалось объединить электронные и световые элементы на одном и том же чипе. Это огромный шаг с технической точки зрения, поскольку в настоящее время эти элементы изготавливаются на отдельных чипах, а затем соединяться проводами.

“У такого подхода имеется ряд недостатков: во-первых, изготовление электронных и фотонных чипов отдельно стоит весьма недешево. Во-вторых, это снижает производительность при преобразовании электронных сигналов в световые и тем самым ограничивает скорость передачи в оптоволоконных сетях связи,”- объясняет Уэли Кох, ведущий автор исследования, которое было опубликовано в журнале Nature Electronics.

Компактные размеры для максимальной скорости.

«Если вы преобразуете электронные сигналы в световые, используя отдельные чипы, вы теряете качества сигнала. Это также ограничивает скорость передачи данных с помощью света», — говорит Кох. Поэтому его подход начинается с модулятора — компонента на чипе, который генерирует свет заданной интенсивности, преобразуя электрические сигналы в световые волны. Размер модулятора должен быть как можно меньше, чтобы избежать потери качества и интенсивности в процессе преобразования, а также для того, чтобы передавать свет — или скорее данные — быстрее, чем это возможно сегодня.

Такая компактность достигается за счет плотного размещения электронных и фотонных компонентов друг над другом в два слоя, и их соединения непосредственно с микросхемой. Такое расслоение электроники и фотоники сокращает пути передачи и снижает потери качества сигнала. Так как электроника и фотоника реализуются на одной подложке, исследователи описывают этот подход как «монолитную ко-интеграцию».

Последние 20 лет монолитный подход терпел неудачу, так как фотонные чипы намного больше электронных. Это препятствовало их объединению на одном чипе, говорит Юрг Лейтхольд. Размеры фотонных элементов делают невозможным их сочетание с широко распространенной сегодня в электронике технологией металлооксидных полупроводников.

«Теперь мы преодолели разницу в размерах между фотоникой и электроникой, заменив фотонику на плазмонику», — говорит Лейтхольд. В течение десяти лет ученые предсказывали, что плазмоника, которая является отраслью фотоники, может стать основой для создания сверхбыстрых чипов. Плазмоника может использоваться для сжатия световых волн в структуры, которые намного меньше длины волны света.

Так как плазмонные чипы меньше электронных, теперь фактически возможно производить гораздо более компактные, монолитные чипы, включающие в себя как фотонный, так и электронный слой. Для того, чтобы затем преобразовывать электрические сигналы в еще более быстрые оптические, в фотонном слое находится модулятор интенсивности плазмы. Он основан на металлических конструкциях, которые направляют свет для достижения более высоких скоростей.

Комбинирование для рекордной скорости.

Для достижения этой рекордной скорости исследователи объединили плазмонику не только с классической электроникой, но и с еще более быстрой технологией BiCMOS. Кроме того, они использовали новый термостабильный электрооптический материал из Вашингтонского университета, а также результаты проектов «Горизонт 2020» PLASMOfab и plaCMOS. По словам Лейтхольда, их эксперимент показал, что эти технологии могут быть объединены для создания одного из самых быстрых компактных чипов: «Мы убеждены, что это решение проложит путь к более быстрой передаче данных в оптических сетях связи будущего».

Связь станет практически мгновенной. А знаете, что еще мгновенно? Регистрация домена в зоне .pro .