前沿科技之美科學(xué)家取得光互連研究重要進(jìn)展

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近日，美國加州大學(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)的工程師還開發(fā)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(fā)生器消除了個人電腦、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。這種集成器件對于未來數(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。”
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& n8 D  v8 y8 e* d, f' d光脈沖壓縮器也將提供一種高性價(jià)比的方法來生成短脈沖，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、電子信號的切換和傳輸導(dǎo)致的功耗。

" r* f  t, B2 L5 O$ m+ b1 P加州大學(xué)圣地亞哥分校的Yeshaiahu Fainman教授稱：“大約20年前，當(dāng)我們首次開始使用納米級的平版印刷工具來創(chuàng)建新的材料和器件時，我們就意識到要將納米光子學(xué)應(yīng)用到信息系統(tǒng)中。”

2 p: @) n" y# \% D0 _" V* K4 U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(xué)器件或基于光纖的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，但這兩者都太過笨重，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光波控制工具主要是由Dawn Tan設(shè)計(jì)開發(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，由電子工程師開發(fā)的新的集成色散元件對光進(jìn)行處理，這樣每個脈沖內(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。
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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(duì)。這就類似于激光的長脈沖。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，它們會并排開來，以不同的速度行進(jìn)。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(jìn)，它們并列著排成一排，最后同時到達(dá)終點(diǎn)。

這個例子說明了片上脈沖壓縮器是如何將長的光脈沖轉(zhuǎn)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(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，利用一種稱為光時分多路轉(zhuǎn)換技術(shù)（OTDM），不同的信號會被及時交叉存取，以更高的數(shù)據(jù)速率產(chǎn)生一種大約每秒TB級的數(shù)據(jù)流。我們開發(fā)的這種壓縮元件對于OTDM技術(shù)非常重要。”
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今后，這項(xiàng)工作會利用脈沖壓縮技術(shù)將多種“慢速”的帶寬通道集成到片上的單個超高速帶寬OTDM中。這種集合器件對于未來高速數(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。
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