硅光子学为光数据通信铺平了道路

     研究人员利用纳米技术已经在硅上开发出芯片级的调制器、收发器、可调衰减器，甚至是激光器。

Kathy Kincade

     2007年12月，IBM T.J.Watson研究中心的研究人员宣布了芯片级超级计算机研究领域的一个重大突破，利用光子技术而不是电子技术使芯片处理器核之间的数据传输速度比以前快了100倍。[1]该公司宣称，其新开发的Mach-Zehnder硅电光调制器比以往同类调制器小100～1000倍，硅电光调制器的开发为集成在单一芯片上的全光路由网铺平了道路（见图1）。

     Mach-Zehnder电光调制器是IBM硅纳光子项目取得的最新进展。2006年，IBM在一块硅芯片上利用环形谐振腔展示了超紧凑的光缓存器。2007年3月，IBM的研究人员在OFC会议上展示了160Gbit/s的16通道CMOS光收发器，该款光收发器与其他磷化铟（InP）和砷化镓（GaAs）光学器件集成在一起，整个光收发器的大小只有3.25mm×5.25mm。[2]

     IBM研发中心的技术副总裁T. C. Chen表示：“将更多的计算内核集成在单一芯片上是我们正在进行的一项工作，目前芯片通信存在的主要问题是芯片过热，从而导致处理速度降低。我们的目标是建立一个体积更小、功耗更低的全新的内核连接技术。”

图1. IBM的新型Mach-Zehnder硅电光调制器，将电缆中传输的数字电信号转换成硅
纳线波导中传输的光脉冲信号。波导由SOI晶圆上的微小硅带形成。

     IBM、英特尔等公司和全球各地的研究小组均认为，硅是这项新技术的核心。今天的商用电光调制器都是以铌酸锂和III-V族化合物半导体为基础的。硅不但具有较高的折射率、热导率和光损伤阈值，而且还具有良好的线性和非线性光学特性（特别是在中红外波段），因此为超紧凑光子器件提供了一个非常诱人的平台。[3]在目前的光通信波段（1200～1700nm），光在硅片中的传输损耗非常低。此外，采用与CMOS技术兼容的衬底材料，可以充分利用微电子行业成熟的材料和工艺，实现硅光子器件的批量生产。

     IBM硅光子技术的主要研究人员Will Green表示：“利用硅光子技术来提升计算机性能，是目前‘硅热’的一个重要推动力。我们正在开发应用于芯片之间的低功耗、高带宽的通信技术，而不是制造一个全光学计算机。光互连技术特别适合用于计算机内部和多核之间的大规模通信。”

     近年来，硅光子学领域的竞争正日益加剧，来自学术界与工业界的研究人员都在为实现完全集成的CMOS光子技术而努力。2007年，英特尔公司的研究人员展示了世界上第一款40Gbit/s的Mach-Zehnder硅电光调制器，其对光数据进行编码的速率高达40Gbit/s。在这项突破之前，英特尔已经在硅光子学领域取得了多项世界“第一”：2004年，英特尔展示了第一款带宽超过1GHz的硅调制器；2005年，展示了速率达10Gbit/s的硅调制器；2006年，英特尔与美国加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）的John Bowers教授合作，展示了世界上第一款电泵浦的混合硅激光器，该激光器成功地整合了InP的发光特性和硅的成本优势。

     英特尔光子技术实验室的负责人Mario Paniccia表示：“在此之前，尽管我们想利用III-V族化合物进行纳米光子技术的研究，但是我们没有能力制备这些器件。现在我们可以利用已有的制造工艺在硅上制备光电子器件，而且器件的尺寸和成本将随着时间的推移而不断下降。”

     纳米技术 
     事实上，大部分硅光子器件的尺寸并不是纳米量级，但是其关键的制备工艺均是纳米技术。在IBM，“硅纳光子学”不只是指组装在一块芯片上的部件，还包括制造这些部件的整个工艺流程。IBM的研究人员目前能够将硅波导的尺寸降低到500nm×200nm，虽然波导的长度不是纳米尺度，但是制备性能良好的波导必须采用非常精确的纳米技术。

图2. 单片集成的硅芯片制造技术可以制备40Gbit/s的光缆，传输距离达300m。
直接将光纤安装在芯片顶端能够形成芯片倒扣的激光器。

     例如，利用标准的CMOS生产线，IBM在绝缘体上的硅（SOI）晶圆（尺寸为200mm）的轻P型掺杂硅（厚度为220nm）上刻蚀硅光子器件。通过低压化学气相沉积技术将50nm厚的氧化物沉积在晶圆上。然后通过电子束曝光写入波导和光纤耦合器硅锥的图案。若制备光子晶体，则需要过度曝光，其目的是消除图案写入过程中的临近效应。曝光之后是光刻蚀过程，分为三步：首先将光致抗蚀图案转移到硬的氧化物掩膜上，接着掩膜将条形波导和耦合区域保护起来防止被刻蚀，最后形成光纤耦合器的环氧聚合物。

     Green表示：“‘硅纳光子学’要求器件制备工艺的精度控制在纳米尺度。纳米尺度是硅光子器件能够正常工作的关键，否则器件的性能将大打折扣。器件的表面通常需要磨平，表面粗糙度必须小于几个纳米。虽然我们可以在一块芯片上将器件的尺寸做得更小，但是必须考虑整个制备工艺的误差。”

     Kotura是目前世界上唯一一家供应商用硅光子器件的公司，该公司目前正在开发8通道可变光衰减器（VOA）的纳米制备工艺，该衰减器可用于城域网中分插复用器的自适应信道均衡。目前该公司的研发重点是用于100Gbit以太网的硅光子器件，包括激光器、探测器、复用器和解复用器，这些器件均使用硅作为衬底。

     Kotura公司市场营销副总裁Arlon Martin表示：“在半导体行业，纳米光子学通常指光刻技术。虽然光刻技术的精度可以达到纳米量级，但这并不意味着芯片的大小是纳米尺度。我们使用纳米技术和标准光刻设备，不但可以生产小尺寸的波导，而且还可以使波导表面和边墙较为光滑。通过刻蚀技术和光刻技术相互配合，我们已经开发出使边墙变得非常光滑的新技术。”

     Luxtera目前也开始涉足硅光子学领域。2007年8月，Luxtera推出了一款40Gbit/s的光缆（OAC），这是在市场上第一款利用制造成本低廉的硅基芯片工艺生产的用于数据通信的单片集成器件（见图2）。OAC是一种连接服务器、计算机集群和开关的单模光缆。每个光缆有四个通道，每个通道的数据传输速率为10.55Gbit/s，传输距离为300m，没有再生和放大功能（见图3）。该款器件本身并非纳米尺度，但是器件的制备工艺采用纳米技术。

图3. Intel正在研发速率高达太比特的集成光收发器，该款收发器由一排尺寸很小、
排列紧密的混合硅激光器组成，每一个激光器产生的输出波长不同，这些不同波
长的激光输出分别进入一个高速硅调制器，通过调制器加载数据信号。

     Luxtera的创始人兼CTO Cary Gunn表示：“目前普遍使用的光收发器是一个大盒子，但如果打开这个盒子，你就会现收发器本身只有几平方毫米大小，我们可以将收发器进一步减小到几百平方微米。人们对硅光子学都非常感兴趣，这并不是因为它能实现其他技术不能实现的新功能，而是因为它可以降低成本，利用现有的大规模纳米制造工艺就可以实现更大的效益。对于长波长激光，衍射极限大约是150nm，而硅光子器件的制备工艺已经突出了这一极限。”

     走向硅激光器 
     调制器、收发器、可调衰减器、激光器……，每个部分的发展，对于全硅光子集成电路的发展都具有非常重要的意义，而这些进展中最核心的仍然是硅激光器。目前的硅光子芯片需要将外部激光光源通过光纤或倒装芯片耦合进入芯片，因此芯片上的光源仍然是一个最令人感兴趣的问题。

     英特尔与UCSB联合开发的混合硅激光器的诞生，在这个方向上迈开了前进的第一步，它将InP基材料直接集成在硅波导上。混合硅激光器的关键技术是利用低温氧等离子体在两种材料的表面形成约25个原子厚的薄氧化层。当加热并施加压力后，氧化层相当于玻璃胶，将两种材料融合在单一的芯片上。当施加电压后，InP基材料产生激光，激光通过氧化胶层进入硅片波导，从而形成了一个混合硅激光器。第一款混合硅激光器的长度约为800μm，但下一代的尺寸将会小得多。目前业界正在研发全硅激光器。

     Paniccia表示：“混合硅激光器的诞生令人非常振奋，但离全硅激光器仍然有一段很长的路要走，虽然混合硅激光器可能是最好的激光器，但它仍然不是最佳选择，因为它的InP的生产成本较高，而全硅激光器的核心在于整个激光器均是在硅上生产，因此成本将极大地降低。”

     参考文献
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).