硅光子學(xué)為光數(shù)據(jù)通信鋪平了道路

     研究人員利用納米技術(shù)已經(jīng)在硅上開(kāi)發(fā)出芯片級(jí)的調(diào)制器、收發(fā)器、可調(diào)衰減器，甚至是激光器。

Kathy Kincade

     2007年12月，IBM T.J.Watson研究中心的研究人員宣布了芯片級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域的一個(gè)重大突破，利用光子技術(shù)而不是電子技術(shù)使芯片處理器核之間的數(shù)據(jù)傳輸速度比以前快了100倍。[1]該公司宣稱，其新開(kāi)發(fā)的Mach-Zehnder硅電光調(diào)制器比以往同類調(diào)制器小100～1000倍，硅電光調(diào)制器的開(kāi)發(fā)為集成在單一芯片上的全光路由網(wǎng)鋪平了道路（見(jiàn)圖1）。

     Mach-Zehnder電光調(diào)制器是IBM硅納光子項(xiàng)目取得的最新進(jìn)展。2006年，IBM在一塊硅芯片上利用環(huán)形諧振腔展示了超緊湊的光緩存器。2007年3月，IBM的研究人員在OFC會(huì)議上展示了160Gbit/s的16通道CMOS光收發(fā)器，該款光收發(fā)器與其他磷化銦（InP）和砷化鎵（GaAs）光學(xué)器件集成在一起，整個(gè)光收發(fā)器的大小只有3.25mm×5.25mm。[2]

     IBM研發(fā)中心的技術(shù)副總裁T. C. Chen表示：“將更多的計(jì)算內(nèi)核集成在單一芯片上是我們正在進(jìn)行的一項(xiàng)工作，目前芯片通信存在的主要問(wèn)題是芯片過(guò)熱，從而導(dǎo)致處理速度降低。我們的目標(biāo)是建立一個(gè)體積更小、功耗更低的全新的內(nèi)核連接技術(shù)�！�

圖1. IBM的新型Mach-Zehnder硅電光調(diào)制器，將電纜中傳輸?shù)臄?shù)字電信號(hào)轉(zhuǎn)換成硅
納線波導(dǎo)中傳輸?shù)墓饷}沖信號(hào)。波導(dǎo)由SOI晶圓上的微小硅帶形成。

     IBM、英特爾等公司和全球各地的研究小組均認(rèn)為，硅是這項(xiàng)新技術(shù)的核心。今天的商用電光調(diào)制器都是以鈮酸鋰和III-V族化合物半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的。硅不但具有較高的折射率、熱導(dǎo)率和光損傷閾值，而且還具有良好的線性和非線性光學(xué)特性（特別是在中紅外波段），因此為超緊湊光子器件提供了一個(gè)非常誘人的平臺(tái)。[3]在目前的光通信波段（1200～1700nm），光在硅片中的傳輸損耗非常低。此外，采用與CMOS技術(shù)兼容的襯底材料，可以充分利用微電子行業(yè)成熟的材料和工藝，實(shí)現(xiàn)硅光子器件的批量生產(chǎn)。

     IBM硅光子技術(shù)的主要研究人員Will Green表示：“利用硅光子技術(shù)來(lái)提升計(jì)算機(jī)性能，是目前‘硅熱’的一個(gè)重要推動(dòng)力。我們正在開(kāi)發(fā)應(yīng)用于芯片之間的低功耗、高帶寬的通信技術(shù)，而不是制造一個(gè)全光學(xué)計(jì)算機(jī)。光互連技術(shù)特別適合用于計(jì)算機(jī)內(nèi)部和多核之間的大規(guī)模通信。”

     近年來(lái)，硅光子學(xué)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)正日益加劇，來(lái)自學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的研究人員都在為實(shí)現(xiàn)完全集成的CMOS光子技術(shù)而努力。2007年，英特爾公司的研究人員展示了世界上第一款40Gbit/s的Mach-Zehnder硅電光調(diào)制器，其對(duì)光數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼的速率高達(dá)40Gbit/s。在這項(xiàng)突破之前，英特爾已經(jīng)在硅光子學(xué)領(lǐng)域取得了多項(xiàng)世界“第一”：2004年，英特爾展示了第一款帶寬超過(guò)1GHz的硅調(diào)制器；2005年，展示了速率達(dá)10Gbit/s的硅調(diào)制器；2006年，英特爾與美國(guó)加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校（UCSB）的John Bowers教授合作，展示了世界上第一款電泵浦的混合硅激光器，該激光器成功地整合了InP的發(fā)光特性和硅的成本優(yōu)勢(shì)。

     英特爾光子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人Mario Paniccia表示：“在此之前，盡管我們想利用III-V族化合物進(jìn)行納米光子技術(shù)的研究，但是我們沒(méi)有能力制備這些器件�，F(xiàn)在我們可以利用已有的制造工藝在硅上制備光電子器件，而且器件的尺寸和成本將隨著時(shí)間的推移而不斷下降�！�

     納米技術(shù) 
     事實(shí)上，大部分硅光子器件的尺寸并不是納米量級(jí)，但是其關(guān)鍵的制備工藝均是納米技術(shù)。在IBM，“硅納光子學(xué)”不只是指組裝在一塊芯片上的部件，還包括制造這些部件的整個(gè)工藝流程。IBM的研究人員目前能夠?qū)⒐璨▽?dǎo)的尺寸降低到500nm×200nm，雖然波導(dǎo)的長(zhǎng)度不是納米尺度，但是制備性能良好的波導(dǎo)必須采用非常精確的納米技術(shù)。

圖2. 單片集成的硅芯片制造技術(shù)可以制備40Gbit/s的光纜，傳輸距離達(dá)300m。
直接將光纖安裝在芯片頂端能夠形成芯片倒扣的激光器。

     例如，利用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS生產(chǎn)線，IBM在絕緣體上的硅（SOI）晶圓（尺寸為200mm）的輕P型摻雜硅（厚度為220nm）上刻蝕硅光子器件。通過(guò)低壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)將50nm厚的氧化物沉積在晶圓上。然后通過(guò)電子束曝光寫(xiě)入波導(dǎo)和光纖耦合器硅錐的圖案。若制備光子晶體，則需要過(guò)度曝光，其目的是消除圖案寫(xiě)入過(guò)程中的臨近效應(yīng)。曝光之后是光刻蝕過(guò)程，分為三步：首先將光致抗蝕圖案轉(zhuǎn)移到硬的氧化物掩膜上，接著掩膜將條形波導(dǎo)和耦合區(qū)域保護(hù)起來(lái)防止被刻蝕，最后形成光纖耦合器的環(huán)氧聚合物。

     Green表示：“‘硅納光子學(xué)’要求器件制備工藝的精度控制在納米尺度。納米尺度是硅光子器件能夠正常工作的關(guān)鍵，否則器件的性能將大打折扣。器件的表面通常需要磨平，表面粗糙度必須小于幾個(gè)納米。雖然我們可以在一塊芯片上將器件的尺寸做得更小，但是必須考慮整個(gè)制備工藝的誤差�！�

     Kotura是目前世界上唯一一家供應(yīng)商用硅光子器件的公司，該公司目前正在開(kāi)發(fā)8通道可變光衰減器（VOA）的納米制備工藝，該衰減器可用于城域網(wǎng)中分插復(fù)用器的自適應(yīng)信道均衡。目前該公司的研發(fā)重點(diǎn)是用于100Gbit以太網(wǎng)的硅光子器件，包括激光器、探測(cè)器、復(fù)用器和解復(fù)用器，這些器件均使用硅作為襯底。

     Kotura公司市場(chǎng)營(yíng)銷副總裁Arlon Martin表示：“在半導(dǎo)體行業(yè)，納米光子學(xué)通常指光刻技術(shù)。雖然光刻技術(shù)的精度可以達(dá)到納米量級(jí)，但這并不意味著芯片的大小是納米尺度。我們使用納米技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)光刻設(shè)備，不但可以生產(chǎn)小尺寸的波導(dǎo)，而且還可以使波導(dǎo)表面和邊墻較為光滑。通過(guò)刻蝕技術(shù)和光刻技術(shù)相互配合，我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出使邊墻變得非常光滑的新技術(shù)�！�

     Luxtera目前也開(kāi)始涉足硅光子學(xué)領(lǐng)域。2007年8月，Luxtera推出了一款40Gbit/s的光纜（OAC），這是在市場(chǎng)上第一款利用制造成本低廉的硅基芯片工藝生產(chǎn)的用于數(shù)據(jù)通信的單片集成器件（見(jiàn)圖2）。OAC是一種連接服務(wù)器、計(jì)算機(jī)集群和開(kāi)關(guān)的單模光纜。每個(gè)光纜有四個(gè)通道，每個(gè)通道的數(shù)據(jù)傳輸速率為10.55Gbit/s，傳輸距離為300m，沒(méi)有再生和放大功能（見(jiàn)圖3）。該款器件本身并非納米尺度，但是器件的制備工藝采用納米技術(shù)。

圖3. Intel正在研發(fā)速率高達(dá)太比特的集成光收發(fā)器，該款收發(fā)器由一排尺寸很小、
排列緊密的混合硅激光器組成，每一個(gè)激光器產(chǎn)生的輸出波長(zhǎng)不同，這些不同波
長(zhǎng)的激光輸出分別進(jìn)入一個(gè)高速硅調(diào)制器，通過(guò)調(diào)制器加載數(shù)據(jù)信號(hào)。

     Luxtera的創(chuàng)始人兼CTO Cary Gunn表示：“目前普遍使用的光收發(fā)器是一個(gè)大盒子，但如果打開(kāi)這個(gè)盒子，你就會(huì)現(xiàn)收發(fā)器本身只有幾平方毫米大小，我們可以將收發(fā)器進(jìn)一步減小到幾百平方微米。人們對(duì)硅光子學(xué)都非常感興趣，這并不是因?yàn)樗�能�?shí)現(xiàn)其他技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)的新功能，而是因?yàn)樗�可以降低成本，利用現(xiàn)有的大規(guī)模納米制造工藝就可以實(shí)現(xiàn)更大的效益。對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)激光，衍射極限大約是150nm，而硅光子器件的制備工藝已經(jīng)突出了這一極限�！�

     走向硅激光器 
     調(diào)制器、收發(fā)器、可調(diào)衰減器、激光器……，每個(gè)部分的發(fā)展，對(duì)于全硅光子集成電路的發(fā)展都具有非常重要的意義，而這些進(jìn)展中最核心的仍然是硅激光器。目前的硅光子芯片需要將外部激光光源通過(guò)光纖或倒裝芯片耦合進(jìn)入芯片，因此芯片上的光源仍然是一個(gè)最令人感興趣的問(wèn)題。

     英特爾與UCSB聯(lián)合開(kāi)發(fā)的混合硅激光器的誕生，在這個(gè)方向上邁開(kāi)了前進(jìn)的第一步，它將InP基材料直接集成在硅波導(dǎo)上。混合硅激光器的關(guān)鍵技術(shù)是利用低溫氧等離子體在兩種材料的表面形成約25個(gè)原子厚的薄氧化層。當(dāng)加熱并施加壓力后，氧化層相當(dāng)于玻璃膠，將兩種材料融合在單一的芯片上。當(dāng)施加電壓后，InP基材料產(chǎn)生激光，激光通過(guò)氧化膠層進(jìn)入硅片波導(dǎo)，從而形成了一個(gè)混合硅激光器。第一款混合硅激光器的長(zhǎng)度約為800μm，但下一代的尺寸將會(huì)小得多。目前業(yè)界正在研發(fā)全硅激光器。

     Paniccia表示：“混合硅激光器的誕生令人非常振奮，但離全硅激光器仍然有一段很長(zhǎng)的路要走，雖然混合硅激光器可能是最好的激光器，但它仍然不是最佳選擇，因?yàn)樗�的InP的生產(chǎn)成本較高，而全硅激光器的核心在于整個(gè)激光器均是在硅上生產(chǎn)，因此成本將極大地降低�！�

     參考文獻(xiàn)
1. W.M.J. Green et al., Optics Express 15 (2007).
2. F. Xia, L. Sekaric, Y. Vlasov. Nature Photonics 1, 65 (2006).
3. B. Jalali, S. Fathpour, J. Lightwave Tech. 24, 12 (2006).