劉洪宇

引領(lǐng)未來的硅光電子學(xué)研究方興未艾。2008年年底,英特爾在《自然》上發(fā)表了在光電探測器方面的新突破,讓“光腦”再激千層浪。我們多久才可以擁有它?一時(shí)間,“光腦”話題再度升溫。

與叫了幾十年的“電腦”相比,“光腦”似乎更時(shí)髦,而且充滿著科幻色彩。試想,計(jì)算機(jī)如果以光子傳遞信息,即使光線相交也互不影響,而速度卻至少提高三個(gè)數(shù)量級,突破電子邏輯門開關(guān)的速度極限。那時(shí),我們再也沒有金屬導(dǎo)線的高延遲,沒有令人頭疼的高發(fā)熱量,計(jì)算機(jī)更小更快、傳輸信息量更大……諸多優(yōu)越性背后的技術(shù)支撐是硅光電子學(xué)。

英特爾將硅光電子學(xué)作為其戰(zhàn)略性技術(shù)開展研究,并多次公開發(fā)表最新研究成果。2008年年底,英特爾在《自然》上發(fā)表了在光電探測器方面的新突破,讓“光腦”再激千層浪,我們多久可以擁有它,五年、十年還是更久?一時(shí)間,“光腦”話題再度升溫。盡管完全“光腦”還不可行,但作為第一步,我們已經(jīng)看到科學(xué)家把電子轉(zhuǎn)換器同光結(jié)合起來,制造出光與電混合的新一代計(jì)算機(jī)的曙光。

為何鐘情硅光子

硅光子學(xué)喚起了太多人的熱情。硅光子學(xué)既是半導(dǎo)體光子學(xué)中的新興研究課題,也在發(fā)展中逐漸成為物理學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算科學(xué)、通信學(xué)等多學(xué)科綜合的一門交叉學(xué)科。硅光電子學(xué)專門研究在硅及硅基異質(zhì)結(jié)材料中的光子行為和規(guī)律,并且非常注重硅光子器件。成熟的硅工藝為硅光子學(xué)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持,加速了硅光子學(xué)的形成和發(fā)展。

一方面是現(xiàn)代微電子產(chǎn)業(yè)的基石——硅基半導(dǎo)體的發(fā)展接近極限,以英特爾為代表的半導(dǎo)體廠商都在尋找并引入高K新材料,以實(shí)現(xiàn)延長基于硅的摩爾定律的壽命;而另一方面,光電子技術(shù)作為一項(xiàng)快速發(fā)展且前景光明的技術(shù),吸引眾多國內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注,他們致力于將光子技術(shù)和微電子技術(shù)結(jié)合起來。

硅光子器件將是繼集成電路之后最有應(yīng)用前景的實(shí)用元器件,這一創(chuàng)新將在后硅材料時(shí)代引領(lǐng)技術(shù)革命。我國著名的硅光子學(xué)研究專家、中科院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員余金中指出,成熟的硅光子學(xué)將在信息領(lǐng)域和社會(huì)生活中起到重要作用,特別是推動(dòng)光計(jì)算發(fā)展。在未來十幾年重點(diǎn)攻關(guān)后,在信息功能材料及器件、傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能信息處理、激光技術(shù)、納米研究等項(xiàng)目推進(jìn)中,硅光子學(xué)具有廣闊發(fā)展空間。

發(fā)展硅基光子科學(xué)和技術(shù)的意義是如此重大,這就不難理解為何有一定科研實(shí)力的國家都把這一學(xué)科作為長遠(yuǎn)的技術(shù)發(fā)展目標(biāo),這以美國最為突出。我國的863計(jì)劃、973計(jì)劃,也都把硅基光電子研究的相關(guān)課題列入計(jì)劃,中國科學(xué)院微電子研究所、中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所光電子研究發(fā)展中心、浙江大學(xué)硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、吉林大學(xué)集成光電子國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等領(lǐng)先研究性機(jī)構(gòu),都在這一前瞻性研究的硅基材料、器件實(shí)用化等方面取得了突出成果。

成本是個(gè)大問題

我們期待硅光子技術(shù)突破,主要就是要解決提高傳輸速度的問題,尤其是進(jìn)入單芯片萬億次計(jì)算時(shí)代后,這個(gè)問題就更加突出,與萬億次計(jì)算相匹配的還應(yīng)該有萬億次通信。這個(gè)問題在未來的高性能計(jì)算領(lǐng)域同樣存在,計(jì)算機(jī)需要找到一種更快的方法,以便在芯片內(nèi)部及芯片之間傳送大量數(shù)據(jù),業(yè)界把突破通信瓶頸的希望寄托在硅光子通信上。

我們對“高帶寬、低延遲”的期待可以從光纖談起。目前,長距離傳輸由光纖通信實(shí)現(xiàn),主要是城域和長距離傳輸,長度約是0.1km～80km。機(jī)架到機(jī)架也開始采用光纖傳輸,長度約是1m～100m。而從板卡到板卡、芯片到芯片,采取的還是導(dǎo)線傳輸。目前硅光子學(xué)研究就是要把光傳輸從長距離向超短距離傳輸擴(kuò)展。

從目前發(fā)展情況來看,持續(xù)改進(jìn)的技術(shù)只是問題的一個(gè)方面,另一個(gè)重要問題是成本。舉例來說,以銅導(dǎo)線連接為例,每年需要連接的器件數(shù)量在數(shù)十億以上,對光模塊的需求量非常大。而目前,多數(shù)光子器件都采用砷化鎵和磷化銦之類的特殊半導(dǎo)體制造,成本過于高昂、處理與封裝也十分復(fù)雜,很難用于單臺(tái)計(jì)算機(jī)甚至本地網(wǎng)絡(luò)。英特爾院士兼光子學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室總監(jiān)Mario Paniccia在接受記者采訪時(shí)說:“我們要把光通信技術(shù)的優(yōu)勢帶到芯片級平臺(tái)上,不只要有技術(shù),還要把這個(gè)技術(shù)做到低成本,這樣才可能把技術(shù)規(guī)模化,這是我們研究的推動(dòng)力。”

Mario Paniccia說的這項(xiàng)技術(shù)就是硅光電子學(xué),其愿景是要研究使用廉價(jià)、制造工藝簡單的硅作為基礎(chǔ)材料開發(fā)光子器件,并在現(xiàn)有的晶圓工廠中,采用標(biāo)準(zhǔn)的批量生產(chǎn)的硅制造技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。這樣帶來的優(yōu)勢就是能為光通信帶來規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。英特爾在開展這項(xiàng)研究的數(shù)年來取得了一系列成果,尤其是從2005年開始,逐漸進(jìn)入了成果收獲期。

一舉兩得的選擇

硅光子學(xué)從研究到最終產(chǎn)業(yè)化,是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,英特爾把通過光傳輸方式收發(fā)數(shù)據(jù)的過程分解為以下步驟來實(shí)現(xiàn):一是先解決光源問題,就是生成光束的激光器,要能發(fā)出連續(xù)光;二是解決傳輸路徑問題,就是光波導(dǎo),就如同讓光在硅平臺(tái)上傳播的高速公路網(wǎng)絡(luò);三是光調(diào)制器,把光束分成代表數(shù)字0和1的開/關(guān)信號,光的變化就攜帶了傳輸信息;四是光探測器,光傳輸?shù)侥康牡睾?需要有光探測器探測到脈沖光信號,把附加在光上面的信息下載下來,重新轉(zhuǎn)換成電信號。

在這些技術(shù)問題都解決了之后,就是考慮生產(chǎn)與產(chǎn)業(yè)化的問題了,即實(shí)現(xiàn)低成本封裝和CMOS工藝批量制造?，F(xiàn)在基于硅的制造工藝已經(jīng)非常成熟,這能夠?qū)崿F(xiàn)低成本的大規(guī)模生產(chǎn)。而根據(jù)不同的應(yīng)用需求,我們還可以像搭積木一樣,對這些模塊進(jìn)行組合,以實(shí)現(xiàn)不同的功能。

上面說的這些器件,目前都不是基于硅制造的,造價(jià)約數(shù)千美元,而且逐一進(jìn)行組合和校準(zhǔn),仍顯得過于昂貴和費(fèi)時(shí)。英特爾將工作聚焦在利用低成本硅進(jìn)行創(chuàng)新,創(chuàng)造新的光學(xué)器件,就是要同時(shí)解決技術(shù)問題和成本問題,因此英特爾取得的所有成果都是圍繞著這一目標(biāo)展開的。

如果不是出于成本考慮,或許硅很難進(jìn)入光電研究的視野,因?yàn)楣鑼?shí)在不是很好的光學(xué)材料。雖然硅被廣泛用于光的路由、探測、調(diào)制和放大,但它并不能有效發(fā)光。硅的明顯缺陷是,硅晶體中的電子被激勵(lì)后,會(huì)引起硅的晶格震動(dòng),結(jié)果發(fā)出的是熱,而不是我們想要的光。

Mario Paniccia是英特爾在硅光子學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物,它率領(lǐng)技術(shù)團(tuán)隊(duì)與高校密切合作,力克硅光子研究難題。與英特爾團(tuán)隊(duì)合作的學(xué)者眾多,如加州大學(xué)圣芭芭拉分校教授John Bowers就是該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)權(quán)威,研究硅光子學(xué)材料和激光已超過25年。

2004年,英特爾研究人員首次展示了帶寬超過1GHz的硅激光調(diào)制器,比此前硅基調(diào)制記錄快了近50倍。2005年,英特爾研究人員首次演示了硅可用來放大外部光源、利用拉曼效應(yīng)產(chǎn)生連續(xù)的片上激光光波。2006年9月,英特爾與加州大學(xué)圣芭芭拉分校的研究人員宣布成功研發(fā)世界上首個(gè)采用標(biāo)準(zhǔn)硅工藝制造的電力混合硅激光器,產(chǎn)業(yè)化的重大障礙之一被成功解決。在取得成果的基礎(chǔ)上,英特爾研究人員連續(xù)提高各步驟中關(guān)鍵部件的參數(shù),目前基本都已達(dá)到或超過了傳統(tǒng)光電子器件的性能表現(xiàn)。

英特爾的新突破

《自然》近期發(fā)布的硅光子最新研究成果是在硅激光探測器上的突破,英特爾使用硅材料創(chuàng)造了雪崩光電二極管性能的世界紀(jì)錄,不僅性能達(dá)到了有史以來最高的340GHz增益帶寬積,而且也是低成本的硅光子器件首次擊敗傳統(tǒng)光電材料制造的器件。負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的英特爾高級研究員亢宜敏就此接受了本報(bào)記者的越洋電話采訪。

雪崩光電二極管被用在光纖傳輸設(shè)備中接收光信號,并將微弱信號放大。相比普通光探測器,它可以在相同功率下探測距離更長,或者相同距離下消耗的功率更小,以此來提高整個(gè)系統(tǒng)性能。其考量參數(shù)增益帶寬積獲得提高,同時(shí)預(yù)示著既可以得到很高的增益,也可以得到很高的帶寬或速度。這意味著在給定速度下,能獲得更好的放大效果。

“它是低成本、高增益、高帶寬的結(jié)合,有更大的設(shè)計(jì)空間可以去降低成本、提高速度、延長距離?！笨阂嗣舯硎?“光通信依賴系統(tǒng)性能,每個(gè)環(huán)節(jié)的功能都非常重要,比如激光器性能提高,系統(tǒng)性能也會(huì)相應(yīng)提高;同樣,雪崩探測器做得靈敏度更高,就會(huì)緩解性能對其他部件的要求?！睆倪@個(gè)意義上講,這項(xiàng)成果意味著整個(gè)硅光子系統(tǒng)都獲得了提升。

這個(gè)高性能的雪崩光電二極管研發(fā)難度在于,鍺的晶格常數(shù)要比硅大4%,雪崩探測是用鍺生長到硅晶上,這就帶來了應(yīng)變,造成晶格錯(cuò)位產(chǎn)生附加噪聲,進(jìn)而產(chǎn)生暗電流?！拔覀兿Ｍ惦娏髟叫≡胶?因此在研發(fā)中做了大量工作以減小暗電流?！笨阂嗣粽f,下一步,英特爾將在更高速度上對這個(gè)器件進(jìn)行驗(yàn)證,以探索不同帶寬下的器件需要進(jìn)行哪些設(shè)計(jì)上的變化。

盡管還處于研究階段,但從商用化角度來看,這個(gè)340GHz的增益帶寬積,可以應(yīng)用到40Gbps的鏈路甚至更高帶寬應(yīng)用的雪崩探測器已經(jīng)能夠滿足商用需求。除了光通信外,該器件還能運(yùn)用在傳感器、成像等應(yīng)用中。

硅光器件最終還是要集成到硅基芯片,比如集成數(shù)十個(gè)、甚至數(shù)百個(gè)混合硅激光器,目前處于研究階段的雪崩探測器已經(jīng)采用傳統(tǒng)的CMOS工藝,集成到了硅芯片中,但還沒有與其他器件做芯片上面的集成。據(jù)了解,這項(xiàng)研究是經(jīng)美國國防部高級研究項(xiàng)目署資助,由英特爾與加州大學(xué)圣芭芭拉分校、弗吉尼亞州立大學(xué)開發(fā),并由Numonyx公司進(jìn)行工藝研發(fā)的聯(lián)合技術(shù)成果。