美科學(xué)家取得光互連研究重要進(jìn)展

近日，美國(guó)加州大學(xué)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(jì)算機(jī)內(nèi)的芯片間傳輸信息，是邁向光互連的重要一步。該大學(xué)的工程師還開(kāi)發(fā)了首個(gè)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(fā)生器消除了個(gè)人電腦、數(shù)據(jù)中心、成像應(yīng)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(shù)據(jù)通道，以達(dá)到更高的數(shù)據(jù) 速率，且比銅線產(chǎn)生的熱量更少。這種集成器件對(duì)于未來(lái)數(shù)字信息系統(tǒng)中高速數(shù)字電子處理器內(nèi)和處理器間的光互連發(fā)展至關(guān)重要。

加州大學(xué)圣地亞哥分校領(lǐng)導(dǎo)脈沖壓縮器開(kāi)發(fā)的Dawn Tan介紹：“我們的脈沖壓縮器可在芯片上實(shí)現(xiàn)，因此我們可以將其很容易地集成到計(jì)算機(jī)處理器中。新一代的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和架構(gòu)將很可能利用光代替銅互連，這將與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）兼容。”

光脈沖壓縮器也將提供一種高性價(jià)比的方法來(lái)生成短脈沖，可用于多種成像技術(shù)，如用于研究激光和電子行為的時(shí)間分辨光譜和用于在三維中獲得生物組織的光學(xué)相干層析技術(shù)（OCT）。

從銅線轉(zhuǎn)變?yōu)楣饣ミB除了可提高數(shù)據(jù)傳輸速率，還可以降低由熱消散、電子信號(hào)的切換和傳輸導(dǎo)致的功耗。

加州大學(xué)圣地亞哥分校的Yeshaiahu Fainman教授稱：“大約20年前，當(dāng)我們首次開(kāi)始使用納米級(jí)的平版印刷工具來(lái)創(chuàng)建新的材料和器件時(shí)，我們就意識(shí)到要將納米光子學(xué)應(yīng)用到信息系統(tǒng)中。”

壓縮脈沖的長(zhǎng)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(xué)器件或基于光纖的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這兩者都太過(guò)笨重，不適合用于計(jì)算機(jī)和其它電子設(shè)備的光互連。而被稱為集成色散元件的納米級(jí)光波控制工具主要是由Dawn Tan設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，因此將高壓縮和小型化的特點(diǎn)結(jié)合是有可能實(shí)現(xiàn)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(jìn)行工作。第一步，進(jìn)入的激光光譜被擴(kuò)大，例如，如果進(jìn)入的激光為綠色，輸出的有可能是紅色、綠色和藍(lán)色激光。第二步，由電子工程師開(kāi)發(fā)的新的集成色散元件對(duì)光進(jìn)行處理，這樣每個(gè)脈沖內(nèi)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(fā)生。

將激光想像成一串車輛。從上往下看，這些車最初是一條長(zhǎng)長(zhǎng)的車隊(duì)。這就類似于激光的長(zhǎng)脈沖。在進(jìn)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(huì)并排開(kāi)來(lái)，以不同的速度行進(jìn)。下一步，這些車要通過(guò)一個(gè)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(jìn)，它們并列著排成一排，最后同時(shí)到達(dá)終點(diǎn)。

這個(gè)例子說(shuō)明了片上脈沖壓縮器是如何將長(zhǎng)的光脈沖轉(zhuǎn)換為更寬的、暫時(shí)更短的光脈沖。這種暫時(shí)的壓縮脈沖將使數(shù)據(jù)進(jìn)行多路傳輸，并實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速度。

Tan介紹稱：“在通信中，利用一種稱為光時(shí)分多路轉(zhuǎn)換技術(shù)（OTDM），不同的信號(hào)會(huì)被及時(shí)交叉存取，以更高的數(shù)據(jù)速率產(chǎn)生一種大約每秒TB級(jí)的數(shù)據(jù)流。我們開(kāi)發(fā)的這種壓縮元件對(duì)于OTDM技術(shù)非常重要。”

今后，這項(xiàng)工作會(huì)利用脈沖壓縮技術(shù)將多種“慢速”的帶寬通道集成到片上的單個(gè)超高速帶寬OTDM中。這種集合器件對(duì)于未來(lái)高速數(shù)字電子處理器之間和之內(nèi)互連的應(yīng)用非常重要，如用于數(shù)據(jù)中心、FPGA和高性能計(jì)算等。