目前的高性能運算應用之多核心處理器速度,主要並非由單顆核心的速度來決定,而是在不同核心之間傳輸資料所需的時間;而今日微處理器中使用的銅導線,已經無法因應這種晶片內資料通訊性能的進展。為此包括IBM、Intel與HP等大廠紛紛在光子(photonics)技術上投資數十億美元,以光子代替電子,意味著處理器核心之間的大量資料幾乎可以實現即時傳輸,讓處理器性能真正隨著核心數目增加而成正比演進。

隸屬於比利時研究機構imec旗下的光子研究小組(Photonics Research Group)近日發表了最新研究成果,介紹了一種整合2D層狀材料與單光子發射器(single-photon emitters)的氮化矽光子晶片;此曝光於《Nature Communications》期刊的研究成果,為基礎量子光子學以及2D材料的研究推進了關鍵性的一步。將光學與電子整合在同一顆晶片中,可帶來更高的資料傳輸量並有助於大幅節省成本與功耗,這種光電晶片將能實現更智慧與便利的未來通訊。

光子IC (PIC)能提高資料傳輸效率、將複雜的量子光學電路微縮,並最佳化插入損耗(insertion losses)與相位穩定性。在2D材料中整合單光子發射器(SPE)則能達到非常高的光萃取(light extraction)效率,不需要進一步的處理,讓個別光子在客體(slaves)與主體(masters)之間有效傳輸;如下圖所示。

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整合式量子發射器。(a)元件俯視圖;(b)元件樣本的橫切面;(c)光纖耦合晶片示意圖;(d)晶片的顯微影像。

上述論文的領銜作者Frederic Peyskens表示:「這些研究成果為利用2D整合單光子源來擴大量子光子元件,提供了關鍵性的一步;」這意味著完全可能實現晶圓級的2D材料高均勻度生長。而未來的運算裝置,無論是量子電腦甚至是簡單的光子晶片,將在功耗水準以及型態的多樣性上帶來全新的視野。

完全整合的矽光子晶片,能以每通道25Gbps的速度進行資料傳輸,這將很快實現100Gps光學發射器。此外也可望催生工業4.0 (甚至5.0)時代雲端運算與大數據處理應用的更高資料傳輸速率、更高頻寬資料中心。利用5G通訊的進展,光電整合元件能拓展連結多裝置的能力,迎合物聯網(IoT)將在接下來幾年仍扮演市場成長主力的趨勢。

在光子學中,資訊的載體可以是光子、孤子(soliton)或是電漿子(plasmon);電漿子是一種與自由電子密度電漿振盪相關聯的準粒子(oscillation)。這種粒子的結合將帶來至少兩個重要優勢:一是實現以更高頻率(約100THz)傳輸資訊的可能性,以及將光侷限於非常小的物體中的能力;二是讓光波導與光纖能取代一般電纜,而光學電晶體則能扮演電氣開關與電晶體的角色。

光子晶片能帶來更高速度與更高能源效益,這意味著內涵此類元件的行動裝置電池壽命更長;此外整合光子元件能在許多領域實現全新商機,包括車用與食品產業等等。

編譯:Judith Cheng

(參考原文: A New Step Towards Photonic Chips ,by M. Di Paolo Emilio)