Exceeding 500 Gbps thin film lithium niobate microring modulator and its applications
本文介绍了一种基于氮化硅负载平台的超高速薄膜铌酸锂微环调制器，该调制器实现了创纪录的 517 Gbps 调制速率、超过 110 GHz 的电光带宽以及 1.5 fJ/bit 的能量消耗，展示了其在下一代光子计算和无线通信系统中的变革性潜力。
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在承载着世界数据的隐形高速公路上，光是其载体。为了让这些光变得有用，工程师必须能够以惊人的速度将其开启或关闭，或者改变其亮度。这些被称为调制器的开关是现代通信的守门人，它们将来自计算机的电信号转化为在光纤中传输的光脉冲。几十年来，最可靠的开关都是长条形的直线型器件，很难紧密地集成到单个计算机芯片上。虽然也存在更小的环形开关，但从历史上看，它们对于最苛刻的任务来说速度太慢，经常陷入一种瓶颈，即光在环路内停留时间过长，以至于无法足够快地发生变化。这一限制阻碍了更快互联网、更强大人工智能以及新型无线通信方式的发展潜力。
现在，一组研究人员构建了一种打破速度障碍的环形开关，证明了一个微小的环路可以比此前认为的速度更快地移动数据。通过将一种以操控光的能力而闻名的材料——铌酸锂薄膜与一层氮化硅相结合，他们创造出了一种既紧凑又异常快速的器件。他们成功的关键在于对控制光的电极导线进行了巧妙的重新设计。他们没有使用标准的简单导线，而是用一个对称的行波电极包裹住环形结构，这个电极就像一条电信号的高速公路，确保信号在正确的时间到达，从而实现无延迟地改变光。他们还平滑了光路径的曲线以防止信号损失，使该器件能够以每秒 517 十亿比特（517 Gbps）的惊人速度运行。为了直观理解这个速度，仅这一个器件就能在不到一秒钟的时间内传输完一部高清电影的全部内容。
研究人员不仅制造了该器件，还将它应用于两个完全不同的领域以证明其通用性。首先，他们利用它进行人工智能计算，特别是识别图像中的模式。通过将数据输入到这个光环中，系统可以瞬间识别图片中的特征，例如虹膜的独特图案或形状的边缘，且准确度极高。这表明这些微小的光学环可以作为未来超高速计算机的“大脑”，以光速而非电速处理信息。其次，团队在无线通信系统中测试了该器件。他们利用这个环，通过不同的光色同时发送多路数据流。在仅不到三英尺的距离内，该系统成功地在单通道上以每秒 360 十亿比特的速度传输数据，即使在信号在不同目标之间跳跃时也能保持清晰。
这项成就之所以特别显著，是因为该器件运行效率极高。尽管拥有如此迅猛的速度，它的能耗却极低，仅消耗旧技术所需功率的一小部分。这种极速与低能耗的结合，预示着一个未来的到来：数据中心和通信网络可以处理海量信息，而不会产生过多的热量或耗尽电网。研究人员证实，他们的器件在广泛的条件下都能可靠工作，即使在这些创纪录的速度下，数据依然保持清晰且无误。通过克服曾经困住光的缓慢环路这一物理极限，这项工作为能够支持人工智能和全球互联日益增长需求的新一代光子系统打开了大门。
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