光子芯片，越来越重要

2023-06-04 04:06

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利用新颖的光子电路设计，研究人员希望降低数据中心的电力消耗。

光子集成电路或 PIC 是允许使用光粒子而不是电子来生成、传输和处理数据的设备。虽然在替代计算中仍处于实验阶段，但 PIC 长期以来一直是电信的骨干，实现了当今高速光纤线路的功能。

由于传统的半导体制造方法，硅已成为开发此类芯片的主要平台，使工程师能够使用现有的电子制造设施来设计和批量生产它们。

尽管与电子通信方法相比，PIC 的效率更高，带宽也明显更高，但仍有改进空间，因为硅光子芯片需要大量能量来进行温度调节，以保持其较高的数据传输性能。

在本文中，我们将讨论光子集成电路效率的突破，该突破来自俄勒冈州立大学和贝勒大学的工程师和科学家的联合研究，旨在削减数据中心的电能消耗

光子 IC 中的温度挑战

为了通过相同的光子介质承载多个光频率并使不同的信号能够使用单一光纤同时传输，工程师们设计了一种称为波分复用(WDM) 的方法，可以增加该技术的数据通道容量同时不妨碍其极快的传输速率。

在光子集成电路中，用于执行 WDM 的结构称为硅微环谐振器或 Si-MRR，它们通过以每次奇异谐振器的光程长度发生谐振的方式环回自身来充当光波导精确测量整数个波长。

通过使用硅树脂制造这些类型的环形谐振器，WDM可以在极小的规模上执行，并作为超低能耗系统的一部分。然而，Si-MRR技术的一个主要挑战是由于温度波动和制造工艺变化引起的谐振波长敏感性。

到目前为止，这些设备通过使用需要大量电能的PIN二极管和热加热器的自由载流子注入来处理精确的波长控制。

现在，来自俄勒冈州立大学和贝勒大学的研究人员提出了一种新方法，可以将这种温度控制能量需求降低超过一百万。

控制光子 IC 的新方法

早在 3 月，由贝勒大学教授 Alan Wang 领导的团队就发表了他们在用栅极驱动Si-MRR 进行实验以开发高效光子集成电路方面的发现。

为了解决该技术的温度挑战，Wang 教授的团队开发了一种特殊类型的独立可调谐片上 WDM 滤波器，该滤波器使用四个 Si-MMR 阵列，其中氧化铟锡 (ITiO)、氧化铪 (IV) (HfO2) { { <--SUBSCRIPT} 和硅胶制造的金属氧化物半导体 (MOS) 电容器。

本研究中使用的 MOS 化合物是所谓的高迁移率透明导电氧化物(TCO)，与 PN 结相比，它具有更高的电光效率。这是有效产生这一突破的节能特性的原因，因为通过使用 TCO 材料，可以通过低栅极电压和可忽略的功耗实现大波长调谐范围。

据俄勒冈州立大学工程学院的 John Conley 教授介绍，由于他在原子层沉积和电子器件方面的知识，以及王教授在光子学方面的专业知识，他们的团队能够生产出一个工作原型 PIC，其温度通过栅极电压来控制，这几乎不使用电流。

Conley 和 Wang 教授的研究还包括俄勒冈州立大学研究生 Wei-Che Hsu、Ben Kupp 和 Nabila Nujhat，并得到英特尔、美国宇航局和国家科学基金会的支持。

这将如何影响未来的数据中心

由于光纤和光子电路对于在数据中心建立快速可靠的物理互连至关重要，因此俄勒冈州立大学和贝勒大学的工程师所做的研究可能会对当前和可预见的未来的行业产生重大影响,需求量极高。

根据美国能源部的数据，数据中心为包括谷歌、Meta 和微软在内的许多公司提供了重要的计算机和网络基础设施，并且需要始终运行，占美国所有电能使用量的 2% 左右。

虽然仍处于实验阶段，但 Wang 和 Conley 教授发表的 PIC 研究可以在最大限度地减少这些能源需求方面发挥重要作用，使工程师能够创建更快、更强大的工具，而不必担心电费和环境影响。

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