探討硅光子技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展

        【訊石光通訊咨詢網(wǎng)】二十一世紀(jì)，隨著人們對信息量需求的增長，對寬帶速度的要求越來越高，在此驅(qū)動下，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已遭遇瓶頸，取而代之的是高速光子微芯片互聯(lián)?；趽碛谐墒熘谱鞴に嚨陌雽?dǎo)體硅材料而成的硅光子器件將在此領(lǐng)域發(fā)揮特別的作用，欣慰的是，目前硅光子已進(jìn)入全面普及階段。

硅光子技術(shù)原理

        硅光子技術(shù)即在硅晶圓上實(shí)現(xiàn)光傳輸，用激光束代替電子信號傳輸數(shù)據(jù)，是一種基于硅光子學(xué)的低成本、高速率的光通信技術(shù)。硅光子技術(shù)的實(shí)用化和研發(fā)的推進(jìn)改速度都超過了預(yù)期，其中，進(jìn)展尤為快速的當(dāng)屬日本。

        光子學(xué)使用的材料是玻璃，光器件是基于玻璃上制作的，這與硅有所不同。由于光的波長對硅而言是透明的，如果信息完全基于硅的基礎(chǔ)上的話，就不能做光接收器，這是硅材料的本質(zhì)不足，尤其是光源方面，所以硅材料不適合做激光器。但是硅光子技術(shù)的應(yīng)用范圍可以從電路板間的數(shù)據(jù)傳輸擴(kuò)大到芯片內(nèi)的傳輸，并且未來硅光子技術(shù)的應(yīng)用范圍有望擴(kuò)大到芯片間和芯片內(nèi)的傳輸，預(yù)計(jì)這方面的應(yīng)用將在2020年左右實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。

        有專家表示，硅光子技術(shù)是一個原理性的技術(shù)，人們可以透過這個窗口看到以前沒有看到過的東西。如果作為獨(dú)立元件的話，它的優(yōu)勢在于獨(dú)立波長，這不像其他傳統(tǒng)的激光器，傳統(tǒng)的激光器會產(chǎn)生紅光、綠光，而基于硅光子的獨(dú)立元件能產(chǎn)生傳統(tǒng)激光器產(chǎn)生不了的光。

主流IT企業(yè)研發(fā)推動硅光子技術(shù)發(fā)展

        據(jù)了解，Intel自90年代中期就開始對硅光子技術(shù)進(jìn)行長期研究，2008年12月Intel宣布，公司已經(jīng)使用硅材料創(chuàng)造了雪崩光電二極管（APD）的性能世界紀(jì)錄，頻率高達(dá)340GHz。除了光通訊外，硅APD還能夠運(yùn)用在諸如傳感器、成像、量子密碼學(xué)以及生物學(xué)應(yīng)用中。而在今年1月，Intel發(fā)布了采用硅光子技術(shù)的有源光纜（AOC），該產(chǎn)品支持臉書主導(dǎo)的數(shù)據(jù)中心行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“Open Compute Project”。

        同樣涉足AOC市場的還有思科系統(tǒng)，早在2012年2月思科就斥資2.71億美元收購了風(fēng)險企業(yè)Lightwire，布局硅光子技術(shù)的發(fā)展，同年10月發(fā)布了基于硅光子技術(shù)的、支持100Gbit/s的光收發(fā)器規(guī)格“Cisco CPAK”，2013年3月發(fā)布了安裝有該規(guī)格光收發(fā)器模塊的傳輸裝置。

        IBM也提出了硅光子芯片光互連系統(tǒng)，其中光鏈接層可利用三維垂直整合技術(shù)加入至多核心運(yùn)算層，形成一所謂“超級芯片”架構(gòu)。IBM目前已開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)90納米制程的初步硅光連結(jié)層，該光鏈接層上有被動光纖耦合器、多任務(wù)器、解多任務(wù)器、高速硅光學(xué)調(diào)制器、硅鍺光偵器、驅(qū)動電路及轉(zhuǎn)阻放大器，藉由多波長分工概念，每個硅波導(dǎo)數(shù)據(jù)傳輸量可達(dá)25Gbit/s，但如何整合光源、降低組件消耗功率仍是一大挑戰(zhàn)。

        由于思科系統(tǒng)和英特爾等企業(yè)相繼涉足AOC市場，預(yù)計(jì)在今后將形成市場的100Gbit/s傳輸容量的AOC中，硅光子將掌握主導(dǎo)權(quán)。早在2012年，硅谷創(chuàng)業(yè)家Andreas Bechtolsheim就曾表示，硅光子技術(shù)可望在2014年走向市場，實(shí)現(xiàn)更具成本效益的100Gb/s網(wǎng)絡(luò)。

硅光子技術(shù)應(yīng)用的分析

        調(diào)查公司Global Information發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2011年有源光纜（AOC）的全球銷量為30.5萬根，銷售額為7000萬美元。并且還預(yù)測，2016年的銷量將達(dá)到78.6萬根，銷售額將擴(kuò)大到1.75億美元。之所所硅光子在AOC光收發(fā)器領(lǐng)域取得很好的成績，是因?yàn)榭梢酝ㄟ^量產(chǎn)大幅降低成本，而此前的AOC采用的是基于化合物半導(dǎo)體的分立元件，價格相對比較高。

        傳統(tǒng)光通信模塊是將三五族半導(dǎo)體芯片、高速電路硅芯片、無源光器件及光纖封裝而成，其中的成本主要來自三五族半導(dǎo)體芯片及系統(tǒng)封裝。雖然其傳輸速度可達(dá)40Gbit/s以上，但是比起使用電纜傳輸而言，價格卻昂貴得多，因此近年來，高速硅光電組件變成一項(xiàng)相當(dāng)炙手可熱的題材，主要研究目的就是希望借由芯片量產(chǎn)技術(shù)降低芯片生產(chǎn)成本、提升良率，另一方面，可以縮小硅光電、光學(xué)組件的尺寸，進(jìn)一步和后端電路整合在一起，以降低封裝成本。

        總體而言，采用硅光子技術(shù)的最大特點(diǎn)就是成本低、速度快。當(dāng)然，硅光子若進(jìn)一步發(fā)展還存在兩大難題。一是，使光元件和光收發(fā)器大幅實(shí)現(xiàn)小型化和低耗電量化的方法。另一個是，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)大容量化的王牌——密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)的利用。

        如今的光子晶體未采用硅基，因?yàn)楹茈y采用硅基以高效率制作有源器件。不過，結(jié)合發(fā)光的鍺和硅等技術(shù)的話，就有可能實(shí)現(xiàn)硅基光子晶體。

        另一方面，高速硅光子光傳輸可能需要DWDM。該技術(shù)早在15年前就已普遍用于長距離通信用設(shè)備等，但用于硅光子則非常難。其中一個原因是，各個光元件發(fā)出的光的波長以及通過波導(dǎo)的光的波長因溫度變化存在巨大偏差。將長距離通信設(shè)備使用的溫度控制功能用于硅光子技術(shù)的成本過高，不現(xiàn)實(shí)。但也有研究人員認(rèn)為，相對于電傳輸，利用DWDM是光傳輸?shù)谋举|(zhì)優(yōu)勢，必須要推進(jìn)利用DWDM的研究開發(fā)，最近，MIT的研究人員還在開發(fā)使波導(dǎo)不依賴于溫度的技術(shù)。

        從技術(shù)角度來看，硅光信號調(diào)制器及硅鍺光偵器已發(fā)展得相當(dāng)成熟，其操作速度皆可達(dá)25Gbit/s以上，唯一的考慮在于如何減少硅光信號調(diào)制器的尺寸大小、提高對溫度的穩(wěn)定性，及增加硅鍺光偵器的靈敏度等。利用互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)制程或準(zhǔn)CMOS制程整合硅光電組件及電路于單芯片也大致驗(yàn)證可行。

        目前唯一尚未有定論的是如何整合光源及光纖封裝方式。然而，此部分的做法與應(yīng)用領(lǐng)域及產(chǎn)品定位有關(guān)，可以是將整個雷射晶粒封裝，或是如英特爾所采用三五族半導(dǎo)體晶圓接合后制程方法，光纖封裝則取決于通道數(shù)目及成本，但總體而言，硅光電組件的商業(yè)應(yīng)用指日可待。