圖片來源：蘇黎世聯邦理工學院撰稿人 |鬱琅環
論文題目 | 單片雙極CMOS電子-等離子體高速發射器
A monolithic bipolar CMOS electronic–plasmonic high-speed transmitter
完成單位 | 蘇黎世聯邦理工學院
概述
隨著網際網路、物聯網等技術的發展，人們對於網絡的依賴性也越來越強。在新冠疫情肆虐全球的今天，遠程工作、遠程教育、遠程社交、在線娛樂已經成為了人們日常生活的一部分。是否擁有一條安全、穩定、高速的光纖，已經成為衡量幸福指數的重要參數。
近日，蘇黎世聯邦理工學院的Juerg Leuthold團隊通過CMOS納米製造技術製備了電子-等離子體集成晶片，並首次實現了單個電子-光子發射器超過100 Gbit/s的數據傳輸。該文章於7月1日發表在Nature Electronics，題為「A monolithic bipolar CMOS electronic–plasmonic high-speed transmitter」，論文的第一作者為Ueli Koch，通訊作者為Juerg Leuthold。
研究背景
由於具有通信容量大、中繼距離長、抗電磁幹擾、保密性好等優點，光纖通訊儼然成為三大通信網絡（其他兩個分別為：衛星通信和無線電通信）的主體，其主要由發射器、頻道，和接收器三大系統組成。
其中，光電發射器（將電信息轉換到光信號以進行傳輸的電光設備）的數據轉換速率從源頭上決定了光纖通訊的傳輸速率。目前此類設備可提供數十Gbit/s的傳輸速率，某些數據中心和計算基礎設施甚至可達單個光路Tbit/s。傳統光電發射器是由電子晶片和光子晶片分別組成，較長的傳輸路徑連接導致電子信號轉換為光信號的過程中會產生損耗，從而限制了傳輸速度的進一步提升。另外，分別製造電子晶片和光子晶片也很十分昂貴。
因此，如何實現電子設備和光學器件的高度整合，以降低電-光轉換過程的損耗，已成為科研界和工業界的共同挑戰。
其實在過去20年中，人們一直在嘗試電子設備和光學器件單片從集成的方法，但是都以失敗告終，一個主要的原因就是現有的光子晶片往往比電子晶片大太多。
技術突破
作為光學的分支，等離子體技術在過去10年內一直被預測可以替代光學晶片實現超快光電轉換器的製備，一個重要的原因就是等離子體晶片比光學晶片要小很多，甚至小於電子晶片，因此實際上可以製造出光子層和電子層結合更緊湊的晶片光電轉換器。
如圖所示，在本研究中Juerg Leuthold團隊利用CMOS技術將電子層和等離子層緊緊地放在彼此的頂部，並通過「片上通孔」的方式將直接它們固定在基底上。這種高度集成的結構大大縮短了電子層和光子層之間的傳輸路徑，並減少了信號質量方面的損失，從而實現了100 Gbit/s的傳輸速率。
圖1 晶片級電子-等離子光電發射器的結構示意圖，其中紅色層為等離子體層，藍色層為電子層，黑色層為基底。
觀點評述
所有人都是數字社會的組成部分，我們直接或間接地在使用網絡服務，例如媒體，存儲，計算等。「需求催生創新」，目前單個光路Tbit/s的傳輸速率已經達到了現有光纖通訊技術基本架構的極限，因此尋求新的技術創新迫在眉睫。目前，該領域的技術更新已經到了瓶頸期，為了提升光纖通訊技術的傳輸速率，各種不同的技術創新層出不窮，甚至有點「亂花漸欲迷人眼」的架勢。但是這些技術創新都有一個共同點，那就是關鍵設備的小型化。前幾期我們也曾推送過一個來自加州理工學院，加州大學聖塔芭芭拉分校，和洛桑瑞士聯邦理工學院（EPFL）合作團隊的工作，其也是CMOS納米製備技術將泵浦雷射器（DFB）與新型光微梳（孤子微梳）相結合實現了光纖通訊設備的小型化。
另外，本研究解決了過去20年內光纖技術的一個關鍵技術，實現了單片雙極光-電發射器的製備。這一技術的實現，將不可避免地從設計、製備、封裝等各個環節來影響後續光纖技術的發展。
主要作者介紹
Ueli Koch，目前為蘇黎世聯邦理工學院的博士後，其合作導師為Juerg Leuthold教授。
Juerg Leuthold，教授，自2013年以來一直是瑞士蘇黎世聯邦理工學院電磁場研究所（IEF）的負責人。他的研究興趣是光子學，等離子學和微波學在通信和傳感方面的應用。從2004年到2013年，他是德國卡爾斯魯厄技術學院（KIT）的會員，在那裡他是光子學和量子電子學院（IPQ）以及亥姆霍茲微技術學院（IMT）的負責人。從1999年到2004年，他隸屬於美國新澤西州霍姆德爾市的朗訊技術公司的貝爾實驗室，並對III/V半導體和矽光基材料進行了系統研究。