光子芯片技术又见突破

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imec旗下的光子研究小组(Photonics Research Group)近日发表了最新研究成果，介绍了一种整合2D层状材料与单光子发射器的氮化硅光子芯片...

目前的高性能运算应用之多核心处理器速度，主要并非由单颗核心的速度来决定，而是在不同核心之间传输数据所需的时间；而今日微处理器中使用的铜导线，已经无法因应这种芯片内数据通讯性能的进展。为此包括IBM、Intel与HP等大厂纷纷在光子(photonics)技术上投资数十亿美元，以光子代替电子，意味着处理器核心之间的大量数据几乎可以实现实时传输，让处理器性能真正随着核心数目增加而成正比演进。
隶属于比利时研究机构imec旗下的光子研究小组(Photonics Research Group)近日发表了最新研究成果，介绍了一种整合2D层状材料与单光子发射器(single-photon emitters)的氮化硅光子芯片；此曝光于《Nature Communications》期刊的研究成果，为基础量子光子学以及2D材料的研究推进了关键性的一步。将光学与电子整合在同一颗芯片中，可带来更高的数据传输量并有助于大幅节省成本与功耗，这种光电芯片将能实现更智能与便利的未来通讯。
光子IC (PIC)能提高数据传输效率、将复杂的量子光学电路微缩，并优化插入损耗(insertion losses)与相位稳定性。在2D材料中整合单光子发射器(SPE)则能达到非常高的光萃取(light extraction)效率，不需要进一步的处理，让个别光子在客体(slaves)与主体(masters)之间有效传输；如下图所示。

整合式量子发射器。(a)组件俯视图；(b)组件样本的横切面；(c)光纤耦合芯片示意图；(d)芯片的显微影像。

上述论文的领衔作者Frederic Peyskens表示：「这些研究成果为利用2D整合单光子源来扩大量子光子组件，提供了关键性的一步；」这意味着完全可能实现晶圆级的2D材料高均匀度生长。而未来的运算装置，无论是量子计算机甚至是简单的光子芯片，将在功耗水平以及型态的多样性上带来全新的视野。
完全整合的硅光子芯片，能以每信道25Gbps的速度进行数据传输，这将很快实现100Gps光学发射器。此外也可望催生工业4.0 (甚至5.0)时代云端运算与大数据处理应用的更高数据传输速率、更高带宽数据中心。利用5G通讯的进展，光电整合组件能拓展链接多装置的能力，迎合物联网(IoT)将在接下来几年仍扮演市场成长主力的趋势。
在光子学中，信息的载体可以是光子、孤子(soliton)或是电浆子(plasmon)；电浆子是一种与自由电子密度电浆振荡相关联的准粒子(oscillation)。这种粒子的结合将带来至少两个重要优势：一是实现以更高频率(约100THz)传输信息的可能性，以及将光局限于非常小的物体中的能力；二是让光波导与光纤能取代一般电缆，而光学晶体管则能扮演电气开关与晶体管的角色。
光子芯片能带来更高速度与更高能源效益，这意味着内涵此类组件的行动装置电池寿命更长；此外整合光子组件能在许多领域实现全新商机，包括车用与食品产业等等。

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