當(dāng)摩爾定律逼近物理邊界,光子技術(shù)正成為突破瓶頸的關(guān)鍵鑰匙。近日,一項(xiàng)突破性研究成果表明,新型光子芯片放大器成功將數(shù)據(jù)傳輸帶寬提升3倍,這一進(jìn)展不僅標(biāo)志著光電子技術(shù)邁向新紀(jì)元,更預(yù)示著未來計(jì)算架構(gòu)的變革。
傳統(tǒng)電子芯片通過銅導(dǎo)線傳輸電信號(hào),其速度受限于電阻、電容和電磁干擾等物理效應(yīng)。即便采用最先進(jìn)的5納米工藝,數(shù)據(jù)傳輸速率仍難以突破每秒萬億比特(Tb/s)大關(guān)。而光子芯片以光波為信息載體,利用光的偏振、波長等特性進(jìn)行編碼,具有天然的高帶寬、低延遲和抗電磁干擾優(yōu)勢。此次研發(fā)的光子放大器通過優(yōu)化光波導(dǎo)結(jié)構(gòu),采用量子點(diǎn)摻雜增益介質(zhì),實(shí)現(xiàn)了對光信號(hào)的級聯(lián)放大,將單通道傳輸速率從400Gb/s推高至1.2Tb/s,相當(dāng)于1秒鐘可傳輸240部高清電影。
該放大器的核心突破在于其三維光互連架構(gòu)。研究人員將多層硅基光波導(dǎo)垂直堆疊,通過微環(huán)諧振器實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的精準(zhǔn)耦合與路由。這種設(shè)計(jì)將傳統(tǒng)平面光路的"單車道"擴(kuò)展為立體交叉的"多車道網(wǎng)絡(luò)",配合分布式布拉格反射鏡進(jìn)行信號(hào)整形,有效抑制了光脈沖展寬效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,在10公里傳輸距離內(nèi),誤碼率保持在10?¹²量級,完全滿足數(shù)據(jù)中心長距離傳輸需求。
當(dāng)前全球超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心年均耗電量已超過部分國家,其中60%能耗用于數(shù)據(jù)搬運(yùn)。光子放大器可支撐單根光纖承載10倍于現(xiàn)狀的數(shù)據(jù)量,配合空分復(fù)用技術(shù),有望將數(shù)據(jù)中心內(nèi)部帶寬密度提升至Pbit/s級,顯著降低冷卻與供電壓力。
面向6G的THz頻段通信需要太赫茲級帶寬支持,光子放大器與硅光子集成收發(fā)模塊結(jié)合,可構(gòu)建超高頻譜效率的前傳網(wǎng)絡(luò)。測試中,單基站吞吐量已達(dá)10Tb/s,為8K全息視頻流、觸覺互聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用鋪平道路。
在汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)中,光子放大器使激光雷達(dá)(LiDAR)的數(shù)據(jù)刷新率從10Hz躍升至30Hz,結(jié)合邊緣計(jì)算單元,可將自動(dòng)駕駛決策延遲壓縮至10毫秒以內(nèi)。在AR/VR設(shè)備中,通過光互連實(shí)現(xiàn)的多核處理器協(xié)同,能實(shí)時(shí)渲染8K@120fps的沉浸式畫面。
盡管實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)亮眼,光子芯片的產(chǎn)業(yè)化仍面臨成本、工藝兼容性等挑戰(zhàn)。目前單個(gè)光子放大器的制造成本約為同功能電子器件的5倍,且需要與CMOS工藝實(shí)現(xiàn)無縫集成。業(yè)界預(yù)測,隨著300mm硅光子產(chǎn)線陸續(xù)投產(chǎn),到2028年光子器件價(jià)格有望下降至合理區(qū)間。
更令人期待的是,該技術(shù)正與量子計(jì)算、神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算等前沿領(lǐng)域產(chǎn)生交叉。通過光子放大器構(gòu)建的光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),可模擬人腦的低功耗并行計(jì)算模式;在量子通信中,其超寬帶特性為量子密鑰分發(fā)提供了理想的信道載體。
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