会“发光”的芯片——混合硅激光技术解析

会“发光”的芯片——混合硅激光技术解析 会“发光”的芯片——混合硅激光技术解析 光的速度让我们叹为观止，你是否想过有一天，计算机的速度就像光那样快,或许你认为这是天方夜谭，但科学家正不遗余力地把这一想法变成现实。2006年9月18日，来自英特尔公司和美国加州大学圣芭芭拉分校的研究人员成功研发了世界首个采用硅工艺制造的混合硅激光器(Hybrid Silicon Laser)，这项技术的突破有望把计算机带入光速时代。光是如何与硅芯片擦出“爱”的火花呢, 人们为何垂青硅激光芯片, 硅激光芯片就是可以让激光通过的硅芯片，同今天我们熟悉的电子计算机不一样，它是以激光作为数据传输的载体。当硅激光芯片广泛应用于计算机内部时，陪伴我们多年的电子计算机就要开始改名换姓了，它将被全新的名称——“光计算机”所代替。以激光作为计算机数据的传输载体，其优势早就为科学家们所熟知。 其一，数据传输带宽将达到令人难以相信的程度。我们知道，光的传播速度高达每秒30万公里，而电子的传播速度仅为每秒593公里，两相比较，电子的运动速度慢得就像蜗牛在爬。光的极速特性决定了它在传输带宽上的提升潜力，今天我们在为传输带宽的提升而绞尽脑汁，明天只需几条光束就可以达到同样甚至几倍的水平，这就是光计算机的魅力～ 其二，并行运算处理将变得更加容易。在当前的服务器领域，AMD的HyperTransport总线备受欢迎，一个重要的原因就是它可以让并行运算更加高效。不过在光计算机的眼里，HyperTransport的这点功夫根本不值一提。电子是沿固定线路流动的，我们无法随意改变它流动的方向，而光就不一样了，我们可以利用反射镜、棱镜、分光镜等光学设备，随意控制和改变光的方向，这样一来，数据就能轻而易举地流动到不同的处理核心，核心之间的数据交换将变得更加高效，多处理器的并行运算将迎来一个崭新的时代。 其三，有助于芯片体积进一步缩小。电子计算机利用电子传输信息，容易受磁场影响，而光计算机利用光子传输信息，不会受磁场影响，而且光线相交时也不会互相干扰。光受外界影响小、相互间不干扰的特性，让它在极小的空间内也能开辟很多平行的信息通道，芯片内数据传输通道的体积将有效缩小，由此芯片可以腾出更多的空间给运算单元或执行核心。光计算机带来的不仅是数据传输速度的提升，它还可以为多核时代掀开新的篇章。 显而易见，光计算机的好处是电子计算机望尘莫及的。但目前光电子设备是用价格昂贵的化合物半导体材料(如砷化镓)制造而成，即使是一台只能进行运算的光计算机，所需的制造成本也极其高昂。要让光“下嫁”给计算机，首要问题是让它降低自己的身价。 在对低成本的光学材料的选择上，科学家们很容易就想到了硅——这位在半导体行业里地位显赫的英雄。众所周知，自然界中含有丰富的硅资源，如果能用 硅做成光学材料，成本不就可以很好地控制,硅材料对可见光是不透明的，对紫外光也是不透明的，但它对红外光是透明的，并且损耗很小，从理论上来说，用硅做光学材料是可行的。硅在微电子集成领域已经证明了它的价值，而在光电子学领域它还只是处于萌芽的状态，如果谁在这个领域拔得头筹，那么下一个英特尔或IBM可能就此诞生。面对光计算机这块诱人的大蛋糕，硅激光芯片能不引起众多公司及科研机构的兴趣吗, 硅激光技术的发展历程 2004年，英特尔研究人员首次展示了频率超过1GHz的硅激光调制器，比此前硅基调制记录快了近50倍;2005年，英特尔公司研究人员首次演示了硅可用来放大外部光源、利用拉曼效应产生连续的片上激光光波，研究人员将它命名为“硅光子拉曼激光器”;2006年，英特尔首次展示了世界首个既能发光也能传导光的硅芯片，也就是本文的主角。硅激光芯片是英特尔的一个长期研究项目，为何它到近年才有所突破, 长期以来，人们试图根据爱因斯坦的激光理论来研制硅激光芯片，但往往无功而返。事实上，硅激光芯片难以实现的原因还是在于硅本身。硅是不发光的，光电效应非常低，并且不能对光进行探测。硅的这些特性注定了爱因斯坦的激光理论难以在它身上实现。难道就没有其他可行的方法,正当多数研究人员一筹莫 利用拉曼效应。 展之时，英特尔却找到了硅激光的突破途径—— 2005年问世的硅光子拉曼激光器 什么是拉曼效应,举例说明，我们见到的大海之所以呈现蓝色，实际上是水分子对光线的散射所导致，这就是拉曼效应产生的结果。拉曼效应同样可以产生激光，硅的拉曼效应比玻璃还要强，既然玻璃纤维可以用来传输光波，硅也应该可以。在这一思路的指导下，英特尔终于带来了硅光子拉曼激光器，时隔一年后又成功研制出混合硅激光芯片。混合硅激光芯片的研制成功，标志着未来计算机和数据中心的低成本、高带宽硅光子学设备产业化的最大障碍已被解除。 2006年问世的混合硅激光器 混合硅激光芯片的秘密 1.硅芯片自身如何“发光”, 怎样让硅芯片“发光”呢,我们知道，硅本身是不发光的，如果要强迫它直接发光，无疑是“死路”一条，但我们可以借助其他材料间接实现。磷化铟有发光效率高等优点，而且采用这种材料的激光器被普遍用于电信设备，因此，英特尔和他的合作者便想到把磷化铟(InP)引入硅芯片中。 磷化铟产生的光可以很好地在玻璃纤维中传输，如果我们能找到一种类似玻璃黏合剂的物质，硅芯片发光的难题就迎刃而解了。研究人员首先在硅芯片上涂上一层传统激光原料磷化铟，然后利用低温氧等离子体(带电荷的氧气)在硅芯片和磷化铟的表面形成一层薄氧化膜(大约25个原子的厚度)。加热的同时在材料两侧加压，两种材料上的氧化膜就会像玻璃黏合剂一样熔合，从而将两种材料熔合到一个单一芯片中。当给磷化铟施加电压，它产生的光会通过这层像玻璃黏合剂一样的氧化膜进入硅片中的波导(wave-guide)。至此，硅芯片就具备了发光的能力。通过这个流程不难发现，集成的磷化铟扮演了“发光源”的角色，而通过特殊工艺形成的氧化膜则起到了“桥梁”的作用。 混合硅激光器的截面图 2.硅芯片如何形成激光, 从上面可知，波导是形成混合硅激光的关键角色，它可以容纳并控制光。那么波导的具体作用是什么呢,要弄清楚这一点，我们还得从光与硅原子的“接触”说起。正常情况下，红外光打到硅原子上会不受阻碍地通过，但红外光的能量不足以激发硅原子，而且当光不断和原子产生作用，很多自由电子就会积累起来，这些自由电子会对光产生很强的吸收能力。早在研究硅光子拉曼激光器的时候，英特尔的研究人员就发现，当外部光源放大到一定程度，光子就会饱和，根本达不到产生激光的增益水平。因此，要让硅芯片顺利产生激光，我们必须消灭“罪魁祸首”——自由电子，而波导扮演的正是这样的角色，科研人员在波导的周围加上一个PN结，而PN结中加上了电场，该电场可以有效地把自由电子清除掉，此时光子的增益就会超过吸收，激光就产生了。 对混合硅激光器进行加压的情形 小知识:PN结是二极管或三极管(晶体管)上的重要部分，通常是在一块N型(P型)半导体的局部再加入微量的硼、铟、镓、铝等三价(或磷、锑、砷等五价)元素，使它变为P型(或N型)半导体，在P型半导体和N型半导体的交界面就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。 3.混合硅激光芯片的逻辑结构 英特尔的官方文件已经展示了混合硅激光芯片的逻辑结构，从中我们可以更加了解混合硅激光芯片的“庐山真面目”。25个混合硅激光器和其他硅光子学部件一起，被集成到单一的硅基芯片上。每一个混合激光器发射出不同波长的激光，这些激光承载着我们需要的数据，混合激光器把这些数据传输给光学调节器，该调节器将对数据进行编码，每一个混合激光器分别对应一个光学调节器。接下来，这25个光学调节器把数据传输至多路复用器(Multiplexer)，该复用器将 对分散在多个光学调节器上的数据进行整合，最后再把整合好的数据通过光纤(Optical fiber)传输出去。 混合硅激光芯片的逻辑结构 假设每个混合硅激光器每秒可以传输40Gb的数据，那么25个混合硅激光器整合在一起，其数据传输率可以达到惊人的1Tbps，更何况是数百个混合硅激光器集成在一起。随着混合硅激光技术的成熟及制造工艺的进步，数百个这样的部件集成在一起并不是什么难事。 写在最后 目前铜缆在计算机中扮演着重要的角色，尽管人们试图通过各种办法来提高它的数据传输速率，但其发展潜力始终赶不上激光。硅激光芯片的研制成功，将把高速激光从以往的贵族专用品转变为普通大众消费品。当激光在计算机内部甚至计算机之间畅通无阻的时候，所有的数据传输瓶颈都将被打破。不仅如此，硅激光芯片还能打破平面型集成电路以及真空管带来的束缚，电脑的功能将因此变得更加强大，硬件设计也将发生巨大的改变。