光纤链路已经成为数据中心计算机集群之间传输数据的主要方法，工程师们希望将他们的巨大带宽带到处理器上。这一步的代价是多伦多大学的研究人员和手臂认为他们可以大大减少。
与电子元件相比，硅光子学元件体积巨大。这是因为光学波长比今天的晶体管大得多，而铜互连将它们连接在一起形成电路。硅光子元件对温度变化的敏感程度也令人惊讶，以至于光子芯片必须包含占其面积和能耗一半左右的加热元件，多伦多大学团队成员之一查尔斯·林(Charles Lin)上个月在IEEE国际电子器件会议．
在虚拟会议上林的实验室研究人员Amr s Helmy他描述了新的硅收发器组件，通过依赖等离子体而不是光子学来解决这两个问题。到目前为止的结果表明，收发器能够在只消耗三分之一能量和仅占20%面积的情况下，至少将带宽提高一倍。更重要的是，它们可以构建在处理器的顶部，而不是单独的chiplets硅光子学也是如此。
当光以较浅的角度照射金属和绝缘体之间的界面时，就会形成等离子体激元:沿金属表面传播的电子密度波。等离子体激元可以在比形成它的光窄得多的波导中传播，但它们通常很快就会消失，因为金属会吸收光。
作为收发系统的一部分，基于耦合混合等离子体波导的光电探测器可以处理硅光子系统三倍以上的数据。图片来源:AS Helmy Group/多伦多大学
多伦多大学的研究人员发明了一种结构，可以利用等离子体子的较小尺寸，同时大大减少损失。它被称为耦合混合等离子体波导(CPHW)，本质上是由硅、导体铟锡氧化物、二氧化硅、铝和更多的硅组成的堆栈。这种结合形成了两种类型的半导体结——肖特基二极管和金属氧化物半导体，而铝则包含了两者之间共有的等离子体激元。Lin说，在金属内部，顶部结的等离子体激元与底部结的等离子体激元以这样一种方式进行干扰，损失减少了几乎两个数量级。
以CPHW为基础，多伦多小组建造了两个关键的光子学组件——一个调制器，将电子位转换为光子位，一个光电探测器，将电子位转换为光子位。(正如在硅光子学中所做的那样，一个单独的激光器提供光;调制器阻挡光线或让光线通过以表示位。)调制器仅占2平方微米，切换速度可达26千兆赫，这是多伦多团队设备的极限。根据该设备的测量电容，实际极限可能高达636 GHz。等离子体光电探测器的灵敏度与硅光子学接近，但只有1/36th的大小。
CPHW最大的优点之一是它对温度不敏感。硅光子学组件的耐温性不能超过一度，以便在适当的波长下工作。温度敏感性是“硅光子学的一个巨大挑战，”解释说Saurabh Sinha他是Arm的首席研究工程师。要控制这一公差，既需要额外的电路，也需要消耗能量。在一个模拟的16通道硅光子学收发器中，加热电路消耗了电路一半的能量，占据了它们总面积的近一小部分，这意味着面积的巨大差异:0.37毫米2硅光子相对于0.07毫米2用于等离子体收发器。
基于cphw的等离子体收发器的模拟预测了许多优于硅光子学的优点。CPHW系统每比特传输的能量消耗不到与之竞争的硅光子系统的三分之一——0.49皮焦耳/比特，而1.52 pJ/b。它可以在可接受的以太网错误率下，在不依赖错误纠正的情况下，轻松地每秒传输超过三倍的比特——每秒150千兆比特，而不是39 Gb/s。
辛哈说，Arm和多伦多团队正在讨论下一步，其中可能包括探索这些收发器的其他潜在好处，例如cphw可以构建在处理器芯片上，而硅光子器件必须与处理器分开制造，然后在处理器包中使用连接到它们chiplet技术．
