Chip plasmonik yang benar-benar baru untuk transmisi data ultra cepat menggunakan cahaya
Tele

Chip plasmonik yang benar-benar baru untuk transmisi data ultra cepat menggunakan cahaya


Chip baru yang sangat ringkas ini menyatukan elemen elektronik dan berbasis cahaya tercepat dalam satu komponen untuk pertama kalinya. Kredit: ETH Zurich / Nature Electronics

Para peneliti dari ETH Zurich telah mencapai apa yang telah dicoba oleh para ilmuwan selama sekitar 20 tahun: dalam pekerjaan laboratorium mereka sebagai bagian dari proyek penelitian European Horizon 2020, mereka telah membuat sebuah chip di mana sinyal elektronik cepat dapat diubah langsung menjadi sinyal cahaya ultra cepat— dengan praktis tidak ada penurunan kualitas sinyal. Ini merupakan terobosan signifikan dalam hal efisiensi infrastruktur komunikasi optik yang menggunakan cahaya untuk mengirimkan data, seperti jaringan serat optik.

Di kota-kota seperti Zurich, jaringan serat optik ini telah digunakan untuk menyediakan internet berkecepatan tinggi, telepon digital, TV, dan layanan video atau audio berbasis jaringan (“streaming”). Namun, pada akhir dekade ini, bahkan jaringan komunikasi optik ini dapat mencapai batasnya dalam hal transmisi data yang cepat.

Ini disebabkan oleh meningkatnya permintaan layanan online untuk streaming, penyimpanan, dan komputasi, serta munculnya kecerdasan buatan dan jaringan 5G. Jaringan optik saat ini mencapai kecepatan transmisi data di wilayah gigabit (109 bit) per detik. Batasnya sekitar 100 gigabit per jalur dan panjang gelombang. Namun, di masa depan, tingkat penularan perlu mencapai wilayah terabit (1012 bit per detik).

Baru: elektronik dan lampu pada chip yang sama

“Meningkatnya permintaan akan membutuhkan solusi baru,” kata Juerg Leuthold, Profesor Fotonik dan Komunikasi ETH. “Kunci dari perubahan paradigma ini terletak pada penggabungan elemen elektronik dan fotonik pada satu chip.” Bidang fotonik (ilmu partikel cahaya) mempelajari teknologi optik untuk transmisi, penyimpanan, dan pemrosesan informasi.

Para peneliti ETH kini telah mencapai kombinasi ini dengan tepat: dalam sebuah eksperimen yang dilakukan bekerja sama dengan mitra di Jerman, AS, Israel, dan Yunani, mereka mampu menyatukan elemen elektronik dan berbasis cahaya pada satu chip yang sama untuk pertama kalinya . Ini adalah langkah besar dari perspektif teknis, karena elemen-elemen ini saat ini harus dibuat pada chip terpisah dan kemudian dihubungkan dengan kabel.

Ada konsekuensi dari pendekatan ini: di satu sisi, membuat chip elektronik dan fotonik secara terpisah mahal. Di sisi lain, ini menghambat kinerja selama konversi sinyal elektronik menjadi sinyal cahaya dan dengan demikian membatasi kecepatan transmisi dalam jaringan komunikasi serat optik, jelas Ueli Koch, seorang postdoc di grup Leuthold dan penulis utama studi tersebut, yang diterbitkan di jurnal Nature Electronics.

Chip plasmonik yang benar-benar baru untuk transmisi data ultra cepat menggunakan cahaya

Berkat kombinasi elektronik dan plasmonik pada satu chip, sinyal cahaya dapat diperkuat dan data dapat dikirim lebih cepat. Kredit: IEF / Springer Nature Ltd.

Ukuran kompak untuk kecepatan maksimal

“Jika Anda mengubah sinyal elektronik menjadi sinyal cahaya menggunakan chip terpisah, Anda kehilangan sejumlah besar kualitas sinyal. Ini juga membatasi kecepatan transmisi data menggunakan cahaya,” kata Koch. Oleh karena itu, pendekatannya dimulai dengan modulator, suatu komponen pada chip yang menghasilkan cahaya dengan intensitas tertentu dengan mengubah sinyal listrik menjadi gelombang cahaya. Ukuran modulator harus sekecil mungkin untuk menghindari kehilangan kualitas dan intensitas dalam proses konversi, dan untuk mentransmisikan cahaya — atau lebih tepatnya data — lebih cepat daripada yang mungkin saat ini.

Kekompakan ini dicapai dengan menempatkan komponen elektronik dan fotonik secara erat di atas satu sama lain, seperti dua lapisan, dan menghubungkannya langsung ke chip melalui “vias on-chip”. Pelapisan elektronik dan fotonik ini memperpendek jalur transmisi dan mengurangi kerugian dalam hal kualitas sinyal. Karena elektronika dan fotonik diimplementasikan pada satu substrat, para peneliti menggambarkan pendekatan ini sebagai “kointegrasi monolitik.”

Selama 20 tahun terakhir, pendekatan monolitik gagal karena chip fotonik jauh lebih besar daripada chip elektronik. Ini mencegah mereka digabungkan dalam satu chip, kata Juerg Leuthold. Ukuran elemen fotonik tidak memungkinkan untuk menggabungkannya dengan teknologi semikonduktor oksida logam (CMOS) yang lazim dalam elektronik saat ini.

Plasmonik: ramuan ajaib untuk chip semikonduktor

“Kami sekarang telah mengatasi perbedaan ukuran antara fotonik dan elektronik dengan mengganti fotonik dengan plasmonik,” kata Leuthold. Selama sepuluh tahun, para ilmuwan telah memprediksikan bahwa plasmonik, yang merupakan cabang dari fotonik, dapat menjadi fondasi untuk chip ultra cepat. Plasmonik dapat digunakan untuk memadatkan gelombang cahaya menjadi struktur yang jauh lebih kecil dari panjang gelombang cahaya.

Karena chip plasmonik lebih kecil dari chip elektronik, sekarang sebenarnya mungkin untuk memproduksi chip monolitik yang jauh lebih kompak yang menggabungkan lapisan fotonik dan elektronik. Untuk kemudian mengubah sinyal listrik menjadi sinyal optik yang lebih cepat, lapisan fotonik (terlihat dalam warna merah pada grafik) berisi modulator intensitas plasmonik. Ini didasarkan pada struktur logam yang menyalurkan cahaya untuk mencapai kecepatan yang lebih tinggi.

Dikombinasikan untuk kecepatan rekor

Ini merupakan tambahan untuk peningkatan kecepatan pada lapisan elektronik (terlihat dengan warna biru pada grafik). Dalam proses yang dikenal sebagai “multiplexing 4: 1,” empat sinyal input berkecepatan rendah digabungkan dan diperkuat sehingga, bersama-sama, mereka membentuk sinyal listrik berkecepatan tinggi. “Ini kemudian diubah menjadi sinyal optik berkecepatan tinggi,” kata Koch. “Dengan cara ini, kami dapat mengirimkan data pada chip monolitik dengan kecepatan lebih dari 100 gigabit per detik untuk pertama kalinya.”

Untuk mencapai kecepatan pemecahan rekor ini, para peneliti menggabungkan plasmonik tidak hanya dengan elektronik CMOS klasik tetapi juga dengan teknologi BiCMOS yang lebih cepat. Mereka juga memanfaatkan bahan elektro-optik baru yang stabil terhadap suhu dari University of Washington serta wawasan dari proyek Horizon 2020 PLASMOfab dan plaCMOS. Menurut Leuthold, percobaan mereka menunjukkan bahwa teknologi ini dapat digabungkan untuk membuat salah satu chip kompak tercepat: “Kami yakin bahwa solusi ini juga dapat membuka jalan untuk transmisi data yang lebih cepat dalam jaringan komunikasi optik di masa depan.”


Para peneliti mengembangkan modulator elektro-optik seukuran mikrometer yang cepat


Informasi lebih lanjut:
Ueli Koch dkk. Pemancar berkecepatan tinggi CMOS elektronik-plasmonik bipolar monolitik, Nature Electronics (2020). DOI: 10.1038 / s41928-020-0417-9

Sajjad Moazeni. CMOS dan plasmonik semakin dekat, Nature Electronics (2020). DOI: 10.1038 / s41928-020-0426-8

Koch, U. Pemancar plasmonik kecepatan tinggi CMOS bipolar monolitik elektronik. Perangkat Penelitian Alam & Rekayasa Material, Di Balik Makalah. devicematerialscommunity.natur… gh-speed-transmitter

Kutipan: Chip plasmonic yang benar-benar baru untuk transmisi data ultrafast menggunakan cahaya (2020, 3 Juli) diambil pada 27 November 2020 dari https://techxplore.com/news/2020-07-plasmonic-chip-ultrafast-transmission.html

Dokumen ini memiliki hak cipta. Selain dari transaksi yang adil untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten disediakan untuk tujuan informasi saja.


Halaman Ini Di Persembahkan Oleh : Pengeluaran SDY