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有望实现计算突破的硅激光调制器
[ 文章来源;眉山市鑫茂光电科技有   发表时间:2011-8-31 16:09:42 ]
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    “今天,光子学应用还只是一种特殊的技术;而明天,它将成为我们生产的每一款芯片中的主流技术。”

—英特尔高级副总裁 帕特·基辛格

刘安胜展示硅激光调制器

放大后的硅激光调制器

    7月24日,英特尔企业技术事业部主任工程师刘安胜在英特尔公司的官方博客中透露了英特尔光子技术的最近进展—他们研发了能够把数据以每秒400亿比特的速度进行编码的激光调制器。此前,在盐湖城举办的集成光学与纳米光学研究及应用会议上,英特尔的研究人员就曾向与会的部门科学家透露其最新的研究成果。

    2006年9月,英特尔公司与美国加州大学圣芭芭拉分校联合展示了世界上第一个采用硅标准工艺制造的混合硅激光器。该器件成功地将磷化铟的发光特性和硅的光路由特性集成在单一的混合硅片上。研究人员相信,未来,采用标准化、大规模、低成本的硅制造技术,可以将多个甚至上百个硅激光器集成到一个芯片上。

    硅激光器的研制成功清除了一个大规模、低成本制造硅光子芯片的关键障碍,从而使得未来在计算机内部或数据中心内实现超低成本的高带宽光纤连接成为可能。而高速硅激光调制器的研究又清除了另一个关键障碍。

硅激光调制器:40Gbps

    多年来,英特尔的研究人员一直致力于使用光纤在硅上传输信息。英特尔光子学技术实验室的研究人员,一直努力寻找硅光子集成电路的关键部件,即能够在光束上对数据进行高速编码的硅光调制器。虽然之前,英特尔的科研人员也研发了各种光调制器,但是研发出能够以40Gbps如此高速进行编码的调制器,还是第一次。

万亿位光芯片

    大家可能知道,光子集成电路能够为未来计算机之间以及各种设备之间的光互连提供成本低廉的解决方案。由于硅材料的价格便宜且具有成熟的大规模生产技术,因此基于硅的光子集成电路引起了研究人员的特殊兴趣。随着学界和业界力图将科研成果转化成完全集成的CMOS光器件的发展,该领域的竞争也随之加剧。甚至连美国国防部高级研究计划署也通过电子与光子集成电路(Electronic & Photonic Integrated Circuits)来支持若干所大学及创业公司在该领域的发展。

    光调制器是用来将高质量的数字信号加载在光束上的装置,它能够快速有效地“开”“关”光束,光线的这两种状态在数据传输中分别代表着1和0。在2004年前,没人能够用硅制造出速度大于20MHz的光调制器。

    2004年2月,英特尔在《自然》杂志上刊登的文章中称,他们新研发的光调制器速度已达千兆Hz。通过整合新型类似晶体管的器件,英特尔能够制造出速度更快的光调制器。2005年,英特尔研究人员的试验进一步表明,新的硅调制器能够达到1Gbps的传输速度,即相当于在一条光纤上每秒传输10亿比特的信息。今年1月,英特尔公司向外界公布了其最新研究成果,调制器的速率已经达到30Gbps了。

    虽然英特尔公司并没有明确说明,当光子集成电路与新技术结合后,能够为电脑和其他设备提供价格低廉的光连接。但是,该技术与英特尔之前研发的硅激光器相结合,总有一天会将多种器件集成在一块能够以Tbps的速度传输数据的芯片上,正如刘安胜所言,这“的确会促成万亿次规模的高性能计算”。

    英特尔高级副总裁帕特·基辛格说:“这项技术对于能够在计算机内制造以光为介质传输数据的光器件是非常关键的一步。这一重大突破将逐渐影响整个行业不断开发出其他新型器件和应用。它有助于加快互联网的运行速度、制造速度更快的高性能计算机,以及支持高带宽应用,如超高分辨率显示器或视觉识别系统等。”

硅光子技术:前景广泛

    硅光子技术是英特尔公司旨在通过使用标准的CMOS技术生产开发硅光子器件的技术。该技术的研发有望彻底改变英特尔的现有的计算平台。在今后5至10年内,计算机及通信行业在如何更快更多地传输数据方面,将面临激烈的竞争。消费者将能快速下载整部高清晰电影,而不只是照片和音乐文件。人们也会要求获得更大量的信息。不过,要满足客户的上述未来需求,就要提高微处理器的连接带宽,以满足其计算速度对数据量的需求。

    英特尔早在20世纪90年代中期就已开始对硅光子学(Silicon Photonics)进行研究。

    虽然用肉眼看来芯片是不透明的,但在红外线下它却是透明的。英特尔硅光子研究总监Mario Paniccia介绍说:“就像超人的X射线视觉能力可以穿透墙壁一样,如果你具有红外视觉,就可以透视芯片。这使得红外光在芯片中按照特定的路径传输成为可能,通常,这种红外光的波长与光学通信中常用的光线相同。通过施加电压来控制晶体管内电荷的移动,可以改变光线通过这些电荷时的行为。从而可引导我们探索对光的特性(如相位和振幅)的控制,进而制造出基于硅的光器件。”

    由于硅材料价格便宜、存储量大且易于大规模生产,硅一直都是制造芯片的材料。为了将光子“硅化”,我们需要考察六个主要方面:产生光源、有选择地在硅材料内引导和传输光、对光进行编码、检测光、集成器件、最终智能化地控制上述所有的光子功能。英特尔力求完成上述所有的环节。他们的研究也的确取得了很大的进展,比如,第一个连续波硅激光器和第一个拥有Gbps速度的硅调制器。

    2005年2月17日,颇具盛名的科学杂志《自然》登出的一篇文章指出,英特尔的研究人员透露了利用量子物理学中的拉曼效应而研发的第一款连续波全硅激光器的进展情况。他们使用英特尔现有的标准化CMOS大规模生产工艺开发了试验器件。这是自2004年,英特尔公司首次刊登关于调制器研究情况以来,在《自然》杂志上刊登的第三篇硅光子学方面的文章。

    这款全硅激光器意义重大,会导致诸如视觉增强器、激光器、波长调制器及多种新型无损害光子器件等的实际应用。成本低廉的硅拉曼激光器也会促进全新的医学设备、传感器及光谱分析设备的研发创新。

    迄今为止,10Gbps的商用光器件的制造仍然采用极为昂贵、制造复杂且难以再利用的特殊电光材料,比如说铌酸锂,因此限制了其在广域网和电信等特定市场的应用。英特尔制造的基于芯片的高速光学模块带宽超过了40Gbps,这表明它作为一种标准芯片技术,克服了带宽和距离的限制,为更广泛的计算和通信应用带来了高带宽的光学优势。硅光子器件的应用甚至会超越数字通信领域,比如说,有望制造出成本较低的用于生物医学等领域的硅激光器。

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