硅的光学信息容量

现代计算与数据存储系统日益依赖并行架构，其中处理与存储负载分布于节点集群内。对高带宽数据链路的需求使得光通信成为现代信息系统的关键组成部分，而硅则是制造必要光学元件的主导平台。尽管硅 arguably 是历史上研究最广泛的材料，但其最重要的属性之一——承载光学信息容量的分析——尚未见报道。硅的信息容量计算因非线性损耗而变得复杂，这种现象源于光功率在小几何结构的光纳米线中的集中。非线性损耗在石英玻璃光纤和其他常见通信信道中并不存在。虽然硅中的非线性损耗已广为人知，但由此产生的噪声和涨落却从未被考虑过。本文报道了由双光子吸收和自由载流子等离子体效应引起的涨落源，并利用这些结果研究了硅信息容量的理论极限。我们的结果表明，由非线性吸收引起的噪声和涨落变得显著，并在非线性损耗本身占主导地位之前就限制了信息容量。我们提出了量化容量的闭式解析表达式，并提供了对底层相互作用的直观理解。我们的结果给出了容量极限及其起源，并建议通过编码和相干信令来扩展它的解决方案。光通过硅传输的信息量是未来信息系统的关键要素。此处展示的结果不仅适用于硅，也适用于其他半导体光信道。