改变我们的计算机制造方式:光子学

发布时间: 2020-08-19 17:22:41 来源:

信息技术继续快速发展。但是,数据中心不断增长的需求已将电气输入输出系统推向其物理极限,这造成了瓶颈。要保持这种增长,就需要改变计算机的制造方式。未来是光明的。

在过去的十年中,与电子互连相比,光子学通过增加服务器之间的链接距离来提供更高的带宽,更少的能量和更低的延迟,从而为电子世界中的芯片间带宽问题提供了解决方案。

15年前,加州大学圣塔芭芭拉分校和英特尔公司展示了硅激光技术,这一进步推动了硅光子技术的发展。此后引发了该领域的爆炸式增长。英特尔现在为全球数据中心提供数百万个硅光子收发器。

加州大学圣塔芭芭拉分校,加州理工学院和瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的合作在硅光子学领域的一项新发现揭示了该领域的另一项革命。该小组设法将复杂的光学系统简化并压缩到单个硅光子芯片上。《自然》杂志的这项成就显着降低了生产成本,并使与传统硅芯片生产的轻松整合成为可能。

加州大学圣塔芭芭拉分校纳米技术分会主席弗雷德·卡夫利(Fred Kavli)教授约翰·鲍尔斯(John Bowers)说:“整个互联网现在是由光子学驱动的。”约翰·鲍尔斯(John Bowers)领导该校的能源效率研究所,并领导了这项合作研究工作。

尽管光子学在Internet骨干网中取得了巨大的成功,但挑战仍然存在。数据流量的爆炸式增长对每个单独的硅光子芯片可以处理的数据速率提出了越来越高的要求。使用多色激光来传输信息是解决此需求的最有效方法。激光颜色越多,可以携带的信息越多。

但是,这给集成激光器带来了问题,该集成激光器一次只能产生一种颜色的激光。Bowers说:“为此,您可能实际上需要在该芯片中使用50个或更多激光器。”并且使用50个激光器具有许多缺点。它很昂贵,而且在功率方面效率很低。而且,由于噪声和热量,每个激光器产生的光的频率可能会略有波动。使用多个激光器,频率甚至可以彼此漂移,就像早期的广播电台一样。

一种称为“光学频率梳”的技术提供了解决该问题的有前途的解决方案。它指的是等间隔的激光频率集合。绘制频率可以发现类似于发梳的尖峰和下垂-因此得名。但是,产生梳子需要笨重,昂贵的设备。Bowers的团队使用集成的光子学方法,展示了世界上最小的梳状发生器,它可以解决所有这些问题。

该系统的配置非常简单,由商业分布的反馈激光器和氮化硅光子芯片组成。鲍尔斯说:“我们拥有的光源可以在一台激光器和一个芯片中产生所有这些颜色。这就是重要的意义。”

简单的结构大大减少了规模,功耗和成本。现在,整个装置安装在比火柴盒小的包装中,火柴盒的总价格和功耗都比以前的系统小。

而且,新技术的操作也更加方便。以前,产生稳定的梳子是一项棘手的工作。研究人员必须正确调制频率并调整功率,以产生一种称为孤子的相干梳状。不能保证该过程每次都会生成这种状态。加州理工学院应用物理学和信息科学与技术教授合着者克里(Kerry Vahala)说:“新方法使打开过程就像打开室内照明灯一样容易。

EPFL物理学教授Tobias J. Kippenberg补充说:“结果令人瞩目的是可按需生成频率梳的可重复性,”他提供了低损耗的氮化硅光子学芯片,该技术已经通过LIGENTEC商业化。“过去,此过程需要精细控制。”

所有这些改进背后的魔力在于一种有趣的物理现象。当泵浦激光器和谐振器集成在一起时,它们之间的相互作用形成了一个高度耦合的系统,该系统具有自注入锁定功能,并同时生成“孤子”,即在谐振器内部无限循环并产生光频率梳的脉冲。鲍尔斯实验室的博士后研究员林畅解释说:“这种相互作用是直接产生梳子并在孤子状态下操作的关键。”

这项新技术将对光子学产生重大影响。除了解决通信相关产品中的多色光源需求外,它还在许多应用中带来了许多新机会。一个例子是光钟,它提供了世界上最精确的时间标准,并有许多用途-从日常生活中的导航到物理常数的测量。

Bowers指出:“过去,光学钟表既大又笨重,价格昂贵。世界上只有少数几个钟表。有了集成的光子学,我们可以制造出可以放在手表中的东西,而您可以负担得起。低噪音”集成的光学微梳将实现新一代的光学时钟,通信和传感器。我们应该看到这种方法带来了更紧凑,更灵敏的GPS接收器。”

总而言之,光子学的前景一片光明。“这是将频率梳技术从实验室转移到现实世界的关键步骤。”鲍尔斯说。“它将改变光子学和我们的日常生活。”

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