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二十一世纪，随着人们对信息量需求的增长，对宽带速度的要求越来越高，在此驱动下，传统的网络系统已遭遇瓶颈，取而代之的是高速光子微芯片互联。基于拥有成熟制作工艺的半导体硅材料而成的硅光子器件将在此领域发挥特别的作用，欣慰的是，目前硅光子已进入全面普及阶段。 硅光子技术原理 硅光子技术即在硅晶圆上实现光传输，用激光束代替电子信号传输数据，是一种基于硅光子学的低成本、高速率的光通信技术。硅光子技术的实用化和研发的推进改速度都超过了预期，其中，进展尤为快速的当属日本。 光子学使用的材料是玻璃，光器件是基于玻璃上制作的，这与硅有所不同。由于光的波长对硅而言是透明的，如果信息完全基于硅的基础上的话，就不能做光接收器，这是硅材料的本质不足，尤其是光源方面，所以硅材料不适合做激光器。但是硅光子技术的应用范围可以从电路板间的数据传输扩大到芯片内的传输，并且未来硅光子技术的应用范围有望扩大到芯片间和芯片内的传输，预计这方面的应用将在2020年左右实现实用化。 有专家表示，硅光子技术是一个原理性的技术，人们可以透过这个窗口看到以前没有看到过的东西。如果作为独立元件的话，它的优势在于独立波长，这不像其他传统的激光器，传统的激光器会产生红光、绿光，而基于硅光子的独立元件能产生传统激光器产生不了的光。 主流IT企业研发推动硅光子技术发展 据了解，Intel自90年代中期就开始对硅光子技术进行长期研究，2008年12月Intel宣布，公司已经使用硅材料创造了雪崩光电二极管(APD)的性能世界纪录，频率高达340GHz。除了光通讯外，硅APD还能够运用在诸如传感器、成像、量子密码学以及生物学应用中。而在今年1月，Intel发布了采用硅光子技术的有源光缆(AOC)，该产品支持脸书主导的数据中心行业标准“Open Compute Project”。 同样涉足AOC市场的还有思科系统，早在2012年2月思科就斥资2.71亿美元收购了风险企业Lightwire，布局硅光子技术的发展，同年10月发布了基于硅光子技术的、支持100Gbit/s的光收发器规格“Cisco CPAK”，2013年3月发布了安装有该规格光收发器模块的传输装置。 IBM也提出了硅光子芯片光互连系统，其中光链接层可利用三维垂直整合技术加入至多核心运算层，形成一所谓“超级芯片”架构。IBM目前已开发标准90纳米制程的初步硅光连结层，该光链接层上有被动光纤耦合器、多任务器、解多任务器、高速硅光学调制器、硅锗光侦器、驱动电路及转阻放大器，藉由多波长分工概念，每个硅波导数据传输量可达25Gbit/s，但如何整合光源、降低组件消耗功率仍是一大挑战。 由于思科系统和英特尔等企业相继涉足AOC市场，预计在今后将形成市场的100Gbit/s传输容量的AOC中，硅光子将掌握主导权。早在2012年，硅谷创业家Andreas Bechtolsheim就曾表示，硅光子技术可望在2014年走向市场，实现更具成本效益的100Gb/s网络。 硅光子技术应用的分析 调查公司Global Information发布的数据显示，2011年有源光缆(AOC)的全球销量为30.5万根，销售额为7000万美元。并且还预测，2016年的销量将达到78.6万根，销售额将扩大到1.75亿美元。之所所硅光子在AOC光收发器领域取得很好的成绩，是因为可以通过量产大幅降低成本，而此前的AOC采用的是基于化合物半导体的分立元件，价格相对比较高。 传统光通信模块是将三五族半导体芯片、高速电路硅芯片、无源光器件及光纤封装而成，其中的成本主要来自三五族半导体芯片及系统封装。虽然其传输速度可达40Gbit/s以上，但是比起使用电缆传输而言，价格却昂贵得多，因此近年来，高速硅光电组件变成一项相当炙手可热的题材，主要研究目的就是希望借由芯片量产技术降低芯片生产成本、提升良率，另一方面，可以缩小硅光电、光学组件的尺寸，进一步和后端电路整合在一起，以降低封装成本。 总体而言，采用硅光子技术的最大特点就是成本低、速度快。当然，硅光子若进一步发展还存在两大难题。一是，使光元件和光收发器大幅实现小型化和低耗电量化的方法。另一个是，进一步实现大容量化的王牌——密集波分复用(DWDM)技术的利用。 如今的光子晶体未采用硅基，因为很难采用硅基以高效率制作有源器件。不过，结合发光的锗和硅等技术的话，就有可能实现硅基光子晶体。 另一方面，高速硅光子光传输可能需要DWDM。该技术早在15年前就已普遍用于长距离通信用设备等，但用于硅光子则非常难。其中一个原因是，各个光元件发出的光的波长以及通过波导的光的波长因温度变化存在巨大偏差。将长距离通信设备使用的温度控制功能用于硅光子技术的成本过高，不现实。但也有研究人员认为，相对于电传输，利用DWDM是光传输的本质优势，必须要推进利用DWDM的研究开发，最近，MIT的研究人员还在开发使波导不依赖于温度的技术。 从技术角度来看，硅光信号调制器及硅锗光侦器已发展得相当成熟，其操作速度皆可达25Gbit/s以上，唯一的考虑在于如何减少硅光信号调制器的尺寸大小、提高对温度的稳定性，及增加硅锗光侦器的灵敏度等。利用互补式金属氧化物半导体(CMOS)制程或准CMOS制程整合硅光电组件及电路于单芯片也大致验证可行。 目前唯一尚未有定论的是如何整合光源及光纤封装方式。然而，此部分的做法与应用领域及产品定位有关，可以是将整个雷射晶粒封装，或是如英特尔所采用三五族半导体晶圆接合后制程方法，光纤封装则取决于通道数目及成本，但总体而言，硅光电组件的商业应用指日可待。 |
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