來源：內容來自「 IEEE電氣電子工程師」，作者： Samuel K. Moore ，謝謝。
Image: AS Helmy Group/University of Toronto
A modulator based on a coupled hybrid plasmonic waveguide is much smaller than its silicon photonics counterpart.
光纖鏈路已經是在數據中心的計算機集群之間傳輸數據的主要方法，工程師們希望將其熾熱的帶寬頻到處理器上。多倫多大學（University of Toronto）和Arm的研究人員認為，這一步的代價可以大大降低。
與電子元件相比，矽光子學元件是巨大的。這是光學波長比現在的電晶體和把它們連接成電路的銅互連要大得多的函數。多倫多大學研究小組成員之一Charles Lin近日在IEEE國際電子設備會議（IEEE International Electron Device Meeting）上解釋說，矽光子元件對溫度變化也異常敏感，以至於光子學晶片必須包括加熱元件，加熱元件必須占其面積和能耗的一半左右。
在虛擬會議上，Amr S. Helmy實驗室的研究員Lin介紹了一種新的矽收發器組件，這種組件依靠等離子體而不是光子學來迴避這兩個問題。到目前為止的研究結果表明，收發機的帶寬至少是原來的兩倍，而能耗僅為原來的三分之一，占地面積僅為原來的20%。更重要的是，它們可以直接構建在處理器上，而不是像矽光子學那樣構建在單獨的晶片上。
當光以一個淺的角度照射金屬和絕緣體之間的介面時，就會形成等離子體激元：電子密度波沿著金屬表面傳播。方便的是，等離子體激元可以沿著比形成它的光窄得多的波導傳播，但是它們通常會很快消失，因為金屬會吸收光。
Image: AS Helmy Group/University of Toronto
As part of a transceiver system, a photodetector based on a coupled hybrid plasmonic waveguide could handle more than three times the data of a silicon photonics system.
多倫多的研究人員發明了一種結構，利用等離子體電子的較小尺寸，同時大大減少了損耗。被稱為耦合混合等離子體波導（coupled hybrid plasmonic waveguide，CPHW），它本質上是由矽、導體銦錫氧化物、二氧化矽、鋁和更多的矽組成的疊層。這種結合形成了兩種類型的半導體結-肖特基二極體和金屬氧化物半導體與鋁，其中包含在兩者之間共同的等離子體激元。Lin說，在金屬內部，上結的等離激元與下結的等離激元相互干擾，損耗降低了近兩個數量級。
多倫多小組以CPHW為基礎，建造了兩個關鍵的光子學組件：一個調製器，將電子比特轉換成光子比特；另一個光電探測器，將電子比特轉換成光子比特。（正如在矽光子學中所做的那樣，一個單獨的雷射器提供光；調製器阻擋光或讓光通過以表示位。）調製器只占用2平方微米，並且可以以26千兆赫的速度切換，這是多倫多團隊設備的極限。根據設備的測量電容，實際極限可能高達636千兆赫。等離子體光電探測器接近矽光子學的靈敏度，但它的尺寸只有矽光子學的1/36。
CPHW最大的優點之一是對溫度不敏感。矽光子學元件有一個溫度公差，不能擺動超過一度，以便他們在適當的波長運作。Arm首席研究工程師Saurabh Sinha解釋說，溫度敏感性是「矽光子學的一大挑戰」。管理這種公差需要額外的電路和能源消耗。在一個模擬的16通道矽光子學收發器中，加熱電路消耗了電路一半的能量，幾乎占據了電路總面積的一小部分，這就意味著面積上的巨大差異：矽光子學為0.37mm2，等離子體收發器為0.07mm2。
基於CPHW的等離子體光子學收發器的模擬預測了比矽光子學的許多優點。CPHW系統消耗的能量不到競爭性矽光子學系統傳輸的每比特能量的三分之一—每比特0.49微微焦耳，而不是1.52 pJ/b。它可以以可接受的乙太網錯誤率輕鬆地傳輸超過3倍的比特，而不依賴糾錯—每秒鐘150千兆比特，而不是39 Gb/s。
Sinha說，Arm和多倫多小組正在討論下一步的工作，其中可能包括探索這些收發器的其他潛在好處，例如，CPHW可以構建在處理器晶片上，而矽光子學設備必須與處理器分開製造，然後在處理器包內使用晶片技術。
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