在類似瑞士蘇黎世這樣的現代都市裡，光纖網路已經廣泛應用於高速網際網路、數字電話、電視，以及網路視訊音訊流媒體服務。然而，預計到 2030 年，這些光纖網路可能將達到其資料傳輸速度的極限。

隨著人工智慧和 5G 網路的出現和快速發展，整個市場對線上流媒體、儲存和計算服務的需求在不斷增長。現在，光纖網路的資料傳輸速率為千兆位（109 位）/ 秒，每個通道和波長的限制約為 100 千兆位。然而，在未來，傳輸速率需求將達到 1000 千兆位(1012 位)/ 秒。

好訊息是，近日，蘇黎世聯邦理工學院的研究人員開發出了一款超高速晶片，可以加快光纖網路中的資料傳輸速度。作為歐洲 Horizon 2020 研究專案的一部分，研究人員在實驗室中成功製造出一款晶片。在該晶片上，快速電子訊號可以直接轉換成超快光訊號，而且幾乎沒有品質損失。要知道，針對這一研究科學家們已經努力了 20 年之久。這一成果代表了光纖網路等利用光傳輸資料的光通訊基礎設施在效率方面取得了重大突破。

創新：電子、光子元件整合在了同一塊晶片上

“不斷增長的需求需要新的解決方案，”蘇黎世聯邦理工學院光子學和通訊教授 Juerg Leuthold 說，“這一研究的關鍵在於將電子和光子元件整合在一塊晶片上。”

蘇黎世聯邦理工學院的研究人員現在已經精確地製造出了這種高度整合晶片。在一項與德國、美國、以色列和希臘的合作伙伴進行的實驗中，他們首次實現將電子和光子元件放在同一個晶片上。

研究小組的博士後研究員、論文第一作者 Ueli Koch 解釋說，從技術角度來看，這是一個巨大的進步。目前，人們必須在單獨的晶片上製造這些元件，然後將它們用電線連線起來。這種方法的缺點是：一方面，單獨製造電子晶片和光子晶片非常昂貴；另一方面，它妨礙了將電訊號轉換為光訊號的效能，因此限制了光纖通訊網路的傳輸速度。該研究發表在《自然電子》雜誌上。

尺寸緊湊且能達到最大速度

Koch 說：“如果用單獨的晶片把電子訊號轉換成光訊號，就會有大量的訊號品質損失，這也限制了光傳輸資料的速度。”因此，他從晶片上的調製器開始入手。調製器作為將電訊號轉換成一定強度的光訊號的元件，它的尺寸必須儘可能小，避免轉換過程中品質和強度的損失，才能以更快的速度傳輸光訊號——也就是資料。

這種高度整合的晶片是通過將電子和光子元件兩層緊密地疊在一起，並通過 “片上通孔” 將它們直接連線到晶片上而實現的。這種電子和光子元件的分層縮短了傳輸路徑，減少了訊號品質方面的損失。由於電子和光子是整合在單一的基板上的，研究人員將這種方法稱為“單片整合”。

Juerg Leuthold 說，光子元件的尺寸使得它不可能與當今電子學中普遍使用的金氧半導體（CMOS）技術相結合。在過去的 20 年裡，由於光子晶片比電子晶片大得多，單片整合的方法一直沒能成功。這也一直阻礙了它們的整合之路。

等離子體：半導體晶片的神奇藥劑

Leuthold 說：“我們現在已經克服了光子晶片和電子晶片之間的尺寸差異，並用等離子體取代了光子。”十年來，科學家們一直在測試等離子體，這是光子學的一個分支，可以為超快晶片提供基礎。等離子體可以把光波壓縮到比光的波長小得多的結構中。

由於等離子體晶片比電子晶片更小，現在實際上是有可能製造出更緊湊的、包含光子層和電子層的單片整合晶片。為了將電訊號轉換為更快的光學訊號，光子層（圖中紅色部分）包含一個等離子體強度調製器，它基於金屬結構，引導光訊號達到更高的速度。

這也使得電子層（圖中的藍色部分）的速度增加。在一個叫做 “4:1 多路複用” 的過程中，四個低速輸入訊號被捆綁並放大，最後一起形成一個高速電訊號。Koch 說：“然後將它們轉換為高速光訊號。通過這種方式，我們首次實現在單片晶片上以每秒 100 千兆位的速度傳輸資料。”

巧妙結合實現最大速度

為了達到這一破紀錄的速度，研究人員不僅將等離子體與經典的 CMOS 技術相結合，還結合了更快的 BiCMOS 技術。他們還使用了一種來自華盛頓大學的新的溫度穩定的光電材料，並借鑑了 Horizon 2020 專案的 insights PLASMOfab 和 plaCMOS 的相關經驗。根據 Leuthold 的說法，他們的實驗表明，這些技術可以結合起來製造出最快的整合晶片之一：“我們相信，這種解決方案也可以為未來光通訊網路中更快的資料傳輸鋪平道路。”