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，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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