硅光电子:IT产业新曙光

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30分钟就可以从北京到天津,但这是您搭乘速度为350千米/小时的京津城际列车所花费的时间,如果您旅程的起点和终点分别位于两个城市的中心,时间可就不能这样算了,万一您再赶上交通拥堵,那时间就没法算了。

同样道理,我们有性能很高的CPU来处理信息,也有带宽足够的光缆来传输信息,但计算机之间的信息传递却卡在了通信光纤的两端,即将电信号转化为光信号的发送端和将光信号转化为电信号的接受端。

对于那些不在乎钞票同时对体积也没有过要求的用户,这早已不是问题。但要让笔记本电脑甚至消费电子产品的用户享受到光纤互联带来的高速体验,还要有赖于硅光电子学的重大突破。

光纤通信:通讯过程不易

高锟和基尔比分别获得2009年和2000年诺贝尔物理学奖,在光纤通信和集成电路方面作出了杰出的贡献。而光纤通信与集成电路关联的基础是光电效应,爱因斯坦因发现光电效应定律而获得1921年诺贝尔物理学奖,尽管爱因斯坦创立的相对论名气更大。

简单地说,光纤通信就是在发送端将电信号转换成光信号,经过光纤传输后,在接收端再将光信号转换为电信号。但其工程实现就没那么简单了,特别是数据的发送和接受部分。

发送端的光发送机由光源、驱动电路和辅助电路构成。光源通常使用的是激光二极管,因为激光二极管发光光谱较窄(单色性较好),亮度高(光功率大)。驱动电路的作用是将电信号调制到光波上,辅助电路则主要是做功率和温度的自动控制。因为Ⅲ、Ⅴ族元素的温度特性不稳定,导致激光二极管的激光波长随温度漂移,需要通过温控电路和半导体制冷器来保证温度的恒定。

最终,多路激光二极管发出的调制光还要通过复用器馈入光纤。

在接收端,多路光信号通过解复用器后,由雪崩光电管将微弱的光信号还原为电信号,从而完成电信号到光信号再到电信号的过程。

硅光电子学:并非简单集成

要想把装满了各种分立元器件的光发射机或光接收机的机箱缩小有两种方法:一是尽可能地减少各种元器件的几何尺寸,最终实现机箱尺寸的缩小,这种方法作用是十分有限的。另一种方法就是另起炉灶,采用物理世界的“微雕大师”――集成电路工艺。

尽管基尔比获得诺奖,但他发明的方法却从来没有被大规模采用,而与他同一时期采用平面工艺发明集成电路的诺伊斯,虽因心脏病过早离世而未能获得诺贝尔物理学奖,但他发明的平面工艺一直被半导体业沿用至现在。而今,诺伊斯创立的英特尔公司里,研究人员又在硅光电子学领域作出了开创性的重大突破。

集成电路产业的成功,实质上是硅工艺的成功,硅工艺给产业带来的是尺寸的急剧缩小和成本的大幅下降。但要在硅片上实现上述各种分立元器件的功能,谈何容易。

首先遇到的就是光源问题。光纤通信使用的激光二极管通常采用元素周期表中Ⅲ族的镓、铟与Ⅴ族的磷、砷等元素的化合物制造。多年来,人们也用Ⅴ族元素硅进行尝试,但都未获得成功。用常规的方法是无法让硅发光的,而且硅不具有光放大的特性,所以单纯使用硅不可能产生激光。

得益于1930年诺贝尔物理学奖获得者、印度学者拉曼的科学发现,2005年,英特尔的研究人员利用拉曼效应,终于让硅发出了光。之后,英特尔研究人员又与加州大学合作,巧妙地利用范德瓦尔兹力将一片微小的磷化铟(InP)材料牢固地“粘”在硅片上,构成了光放大器,这样,硅发出的光在硅片上蚀刻出的谐振腔两端往复振荡,在经过谐振光路上的InP放大,最终形成激光。通过蚀刻不同长度的谐振腔,可以在一定范围内获得不同波长的激光输出。硅拉曼激光器的单色性很好,实际占用带宽只有20nm,换句话说,100nm的光谱带宽中,可以容纳5路光信号。整个激光器的长为1mm,宽为0.15mm。

而在光信号的调制上,则根据半导体PN结的光学折射率与载流子的浓度相关的特性,利用电压来控制PN结中载流子的浓度,调制通过PN结的激光,从而实现光调制。

最终,不同波长的调制激光经过多路器耦合到光纤中。

由于硅材料具有良好的温度稳定性,在省却了恒温电路和半导体制冷器后,仍然保持很好的波长稳定性。接收端的结构相对于发送端而言简单不少,其中最为关键的是承担光电转换作用的雪崩光电管。通常,这种器件使用的是价格较贵的InP材料。2008年,英特尔研究人员使用硅和CMOS工艺研制出雪崩光电探测器,并创造了新的性能记录――340GHz的增益带宽积。

至此,基于硅光电子学的障碍都已被突破。

IT产业前途:有光则明

过去半个世纪中,半导体平面工艺仅仅专注于不断缩小晶体管的尺寸,就给世界带来如此之大的变化。而今, CMOS工艺不仅集成了多种原来不同器件的功能,而且还以成本的优势,让硅光电子学得以快速普及。

硅光电子学不仅可以用于计算机、消费电子产品等系统之间的通信,也可以用在系统内部板级之间的通信,甚至可以用于SiP(单系统封装)芯片内部通信。当然,光纤入户最后一公里问题也将迎刃而解。

硅光电子学有效地解决了通信瓶颈问题,这在商用,特别是高性能计算领域更为重要。在现有的采用集群系统的高性能计算机中,节点间的光纤通信设备的费用是一笔非常大的开销,而且其体积和功耗也不容忽视。使用硅光电子学的成果,不仅可以圆满地解决上述问题,而且可以把光通信延伸到节点服务器的板卡级,从根本上解决高性能计算机的通信瓶颈问题。

硅光电子学已经步入实用阶段,去年,英特尔已经演示了在两台笔记本电脑之间用光纤替代UBS电缆进行互联。

目前,实验芯片已经实现了50Gb/s的速度,这相当于下载一部高清电影只需要1秒钟。