前沿科技之美科学家取得光互连研究重要进展

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近日，美国加州大学圣地亚哥分校电气工程师研制出一种小型片上光脉冲，这将代替铜线在计算机内的芯片间传输信息，是迈向光互连的重要一步。该大学的工程师还开发了首个硅芯片上的超压缩、低功耗脉冲压缩器。这种小型化的短脉冲发生器消除了个人电脑、数据中心、成像应用等方面的使用障碍。这些光互连将利用脉冲压缩的方法集成速度较慢的数据通道，以达到更高的数据 速率，且比铜线产生的热量更少。这种集成器件对于未来数字信息系统中高速数字电子处理器内和处理器间的光互连发展至关重要。加州大学圣地亚哥分校领导脉冲压缩器开发的Dawn Tan介绍：“我们的脉冲压缩器可在芯片上实现，因此我们可以将其很容易地集成到计算机处理器中。新一代的计算机网络和架构将很可能利用光代替铜互连，这将与互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容。”

- o4 _" X1 U2 r8 T& z光脉冲压缩器也将提供一种高性价比的方法来生成短脉冲，可用于多种成像技术，如用于研究激光和电子行为的时间分辨光谱和用于在三维中获得生物组织的光学相干层析技术（OCT）。
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8 g+ ^8 l) h! j从铜线转变为光互连除了可提高数据传输速率，还可以降低由热消散、电子信号的切换和传输导致的功耗。

9 f3 c3 G) [  H  `; B, r8 w6 g: X加州大学圣地亚哥分校的Yeshaiahu Fainman教授称：“大约20年前，当我们首次开始使用纳米级的平版印刷工具来创建新的材料和器件时，我们就意识到要将纳米光子学应用到信息系统中。”
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压缩脉冲的长度只有原脉冲的八分之一，是片上最大程度的一次压缩。目前，这种高压缩比的脉冲压缩只能用大量的光学器件或基于光纤的系统来实现，但这两者都太过笨重，不适合用于计算机和其它电子设备的光互连。而被称为集成色散元件的纳米级光波控制工具主要是由Dawn Tan设计开发的，因此将高压缩和小型化的特点结合是有可能实现的。这种新型色散元件为片上纳米光子工具包提供了急需的部件。
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8 p& V! z) n+ }7 Q; B脉冲压缩器分两步进行工作。第一步，进入的激光光谱被扩大，例如，如果进入的激光为绿色，输出的有可能是红色、绿色和蓝色激光。第二步，由电子工程师开发的新的集成色散元件对光进行处理，这样每个脉冲内的光谱都可以以同样的速度传输。而脉冲压缩就在这种速度同步中发生。
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将激光想像成一串车辆。从上往下看，这些车最初是一条长长的车队。这就类似于激光的长脉冲。在进行了第一步的脉冲压缩后，这些车辆不再位于一条直线上，它们会并排开来，以不同的速度行进。下一步，这些车要通过一个新的色散栅，在这里，一些车要加速，一些车要减速，直到所有车辆都以同样的速度行进，它们并列着排成一排，最后同时到达终点。

' Y. p& q3 R$ w1 v# J& x% h: U- v这个例子说明了片上脉冲压缩器是如何将长的光脉冲转换为更宽的、暂时更短的光脉冲。这种暂时的压缩脉冲将使数据进行多路传输，并实现更高的数据速度。

Tan介绍称：“在通信中，利用一种称为光时分多路转换技术（OTDM），不同的信号会被及时交叉存取，以更高的数据速率产生一种大约每秒TB级的数据流。我们开发的这种压缩元件对于OTDM技术非常重要。”

! [: ~5 s) L3 B# y! }今后，这项工作会利用脉冲压缩技术将多种“慢速”的带宽通道集成到片上的单个超高速带宽OTDM中。这种集合器件对于未来高速数字电子处理器之间和之内互连的应用非常重要，如用于数据中心、FPGA和高性能计算等。