近年来,英特尔公司在硅光电子(Silicon Photonic)领域跨越了许多技术难题,最终获得了突破性的创新成就。本刊记者也曾两次参观过位于英特尔美国圣克拉拉总部的硅光电子技术实验室,对于这一近乎奇迹般的研究成果有着深厚的兴趣。
今年7月28日,英特尔日刚刚发布了50Gbps硅光电联结系统原型。9月1日,本刊记者有机会在北京见到了英特尔研究院硅光电子技术实验室的资深科学家荣海生博士,因为在拉曼激光器开发方面的卓越成就,他被《科学美国人》杂志评选为“2004～2005年度最杰出的50位科学研究领导者”之一,同时他还是美国电气和电子工程师协会(IEEE)的高级委员。
无论是在深奥的材料技术还是复杂的物质结构,亦或是大家更为熟悉的物理电子知识,荣博士都向记者娓娓道来,深入浅出,从中我们了解到硅光电研究道路的漫长与艰巨,同时也对未来的前景充满期望。
从最基础的部分做起
对于英特尔的硅光电子技术研究项目来说,2004年是一个起点。在这一年,英特尔研究成功了第一个硅调制器,这是所有后续研究的基础。调制器在光互联中是一个非常重要的元件,它的功能是将信号从电脉冲形式转变成光的形式,这样才能够把信号通过光纤或者波导传到另外一个地方。与调制器对应的是光电探测器,它的作用是把光信号再次捕捉并还原为电信号。
在2004年的时候,英特尔的硅调制器速度是1Gbps,如果用其他材料来做调制器的话,速度可以更快。但这件事情仍然引起了很大反响。英特尔的研究成果证明,用硅来做调制器是可行的,这是硅光学的新起点。
2005年,英特尔又开发了另外一个关键部件,拉曼硅激光器。这在当时也引起了很大的轰动,因为从20世纪60年代初以来,人们就想用硅来做激光器,但是一直没有成功。硅本身的材料特性,决定了它不能用来发光,用常规的办法让它发光几乎是不可能的。2005年的时候,英特尔利用拉曼效应原理,成功地让硅发光了。通常半导体激光器使用的材料如磷、砷等式很贵的,并且与硅的加工处理工艺完全不同。
随后,英特尔还成功地研制了探测器。2008年,英特尔还成功开发出了硅基雪崩光电探测器,可以讲非常微弱的信号放大许多倍,从而大大提高了光信号的传输距离或传输带宽,并可以降低功耗。
从集成电路到集成光路?
硅调制器、硅激光器、硅基探测器,这三项关键技术得以突破之后,接下来的工作是如何通过成熟可靠、低成本高产能的方式将这些模块集成封装在一起。谈到这里,笔者不由得想起20世纪50年代在另外一个领域发生的相似的故事:贝尔实验室的发明了晶体管,但如果将这项实验室的发明应用到商业化的产品中去,是许多科学家辛苦钻研的难题。1958年,TI的工程师杰克·基尔比成功地制作成了世界上第一块集成电路,与此同时仙童公司的罗伯特·诺伊斯(英特尔公司的主要创始人之一)也在发明了类似的集成电路。罗伯特·诺伊斯还进一步研究出一种二氧化硅的扩散技术和PN结的隔离技术,为大规模集成电路制造提供了理论与实践基础,使得集成电路由“发明时代”进入了“商用时代”。随后,集成电路的规模越来越大,但最开始将多个晶体管等部件集成在一个电路板上的想法和实验,造就了这个每年数千亿美元的商业机会。
英特尔现在正在做类似的事情:在基于硅的晶圆上把各种元件像做CPU那样制作出来,留出一块地方给一些不可缺少的三五族材料,并留出激光器的位置。随后,“粘上”一些三五族的材料(如磷化铟),把没用的地方腐蚀掉,加上电极……
经过这样的生产工序,英特尔似乎在迈向一个新的时代:集成光路,准确点说,叫做硅基集成光路。通过成熟的硅提纯、加工、生产工艺,英特尔的目标是将电脑中以及电脑之间更多的部件改用光来连接。
硅光电子还处于孩童时期
虽然英特尔已经推出了像LightPeak这样的商业化产品,但这一行业的发展还只是初级阶段。荣博士表示,目前英特尔的研究所解决的还只是互联问题,尚没有涉及到计算本身。摩尔定律依然是基于半导体集成电路的,用电来传输信号虽然有理论上的极限,用铜线来连接各个设备虽然存在诸多约束,但这些技术仍然还有很多潜力可以挖掘。从长远来看,肯定是基于光的技术会更快,但“光”取代“电”的时间点在哪里?这是不确定的。即便是现在英特尔已经发布的成果,在产品化过程中仍然面临很多问题,例如集成,说起来很轻松,但是做起来有很多问题需要考虑:测试、筛选、封装,还有时间进度本身,这些都是成本。当然以后可以达到机器自动化,但还有很多领域有待开发。
硅光电子现在看起来就像是一个茁壮成长的孩子,虽然已经隐约看得出它长大后的模样,但距离真正的成熟和壮大还有很长的道路要做。路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。