“光計算機”又邁出一大步

蘇　鋒

2008年12月7日，英特爾公司宣布其研究團隊在硅光電子學領域取得了又一項重大的技術突破，成功使用基于硅的雪崩光電探測器(Silicon-basedAvalanche PhotodeteCtor)實現了創世界紀錄的高性能，這款雪崩光電探測器使用硅和CMOS工藝實現了有史以來最高的340GHz“增益-帶寬積”，這為降低40Gbps或更高數據傳輸速度的光學鏈路的成本開啟了大門，同時也第一次證明了硅光電子元器件的性能可以超過現有的使用磷化銦(InP)等更昂貴傳統材料制造的光電子元器件的性能。這項研究成果已經發表于當天出版的《自然—光子學》(NaturePhotonics)雜志。作為一項新興技術，硅光電子學(Silicon Photonics)利用標準硅實現計算機和其它電子設備之間的光信息發送和接收。此項技術也可以應用于對帶寬需求高的遠程醫療和3D虛擬世界等未來數據密集型計算領域。

解讀新聞背后的意義

這樣一條新聞對于整個業界來說，其意義卻遠遠超出其200余個漢字所能表達的范圍。一時間，“金屬導線下崗”、“電子計算機退休”、“光腦取代電腦”之類的詞匯迅速在互聯網上蔓延。毫無疑問，這是一個具有重大意義的技術突破，它驗證了硅光電子學的技術愿景，為未來的超高速通訊、萬億級計算等領域的應用提供了技術保障，但從更寬廣的時間跨度來看，英特爾在此領域的長期前瞻性研究已經進行了十余年，此領域的一個個技術難題被逐步突破，到現在所處的階段則是一種基礎基本完善、前景明確、進展順利的狀態，但是距離最終的產品化批量生產，仍然還有5到10年的距離。可以說，在從“電腦”走向“光腦”的漫長過程中，英特爾又邁出了關鍵性的一大步，而且步伐更加堅定。

在過去的2、3年中，本刊對于英特爾等公司在硅光電子學領域的技術發展一直保持著密切的關注。在2006年的3月和6月，我們在《微電腦世界》的技術趨勢欄目分別詳細介紹了光計算機研究新突破(fmd.pcworld.com.cn/22774)、英特爾硅光子技術及進展(find.pcworld，com，cn／22775)，從中我們了解到了硅光電子領域的探索性、基礎性研究的進展和突破，并展望了光計算機的美好前景。在2008年6月，本刊記者在英特爾美國總部參加2008研究日活動時，也曾經進人英特爾公司最前沿且最看好的光子學技術實驗室進行參觀，該技術實驗室總監馬里奧·潘尼西亞(MarioPaniccia)向大家展示了英特爾在此領域的一些最新研究成果，以及實驗室工作的管理和運行。

光纖的侵略：拓展疆域

我們不能期待一夜之間電腦之間和電腦內部突然全部變成光互聯，雖然這聽起來很美好。現實一點的情況是：我們可以期待光纖在與銅導線的分工和競爭中，逐步占領更多的地盤。在目前的高速互聯方式中，光纖的應用主要集中在城域和長距離(100米至80公里)傳輸領域，也就是我們常說的骨干網絡。到了數據中心、托管機房內，光纖和銅導線(網線)就開始滲透并存。也就是說，高速、高帶寬、低能耗的光纖連接，基本上只覆蓋到機柜、機架。對于日本等發達地區，光纖到桌面的互聯網接人也已經相當普及。而更多的地方，光連接設備自身在大批量低成本生產方面還不夠理想，限制了其更大規模、更短距離的普及應用。

英特爾近年來在硅材料CMOS工藝基礎上的光子學研究，主要的目的就在于尋找一種能夠實現低成本、小體積、大規模批量生產的光通信連接技術和工藝，利用低成本的硅來創造性生產新的光學器件。作為一個完整的領域，硅光子學研究包含了光源、光波導、光調制、光探測、低成本封裝、生產工藝這6個關鍵環節。目前，英特爾已經在光源、光調制、光探測這三個方面獲得了實質性的突破。在光源部分，英特爾在2005年2月推出首款連續波硅拉曼激光器、2006年9月推出混合硅激光器，2004年2月至2008年5月在光調制領域先后推出各種不同速度的硅調制器，最新的8通道集成產品已經可以達到200Gbps的驚人速度。在光探測部分，2007年8月推出了40Gbps PIN光電探測器，而這一次的硅基雪崩式探測器，憑借340GHz的速度成為了目前最高性能的產品。

如果在最后兩個關鍵環節(低成本封裝、生產工藝)能夠做到足夠出色，硅光子學研究就可以說是大功告成，而基于硅材料的封裝和生產工藝對于英特爾來說，恰恰是最拿手的老本行，因此我們對該技術的商業化應用敢于持非常樂觀的態度。

硅基雪崩光電探測器的應用前景

有了如此高性能的光電探測器件，我們可以拿它來做些什么?最顯而易見的還是光通信領域。在節能環保被日益關注的今天。如果有更為靈敏光電探測器件，就可以顯著降低激光的功率，從而達到大幅降低能耗的目的。此外，對于那些需要高靈敏度的同時還需要低成本的應用，例如光纖到桌面，基于硅的這種器件也能夠發揮其優勢。

除此之外，我們還很容易地將這種器件與一些高精尖的前沿領域聯系在一起：例如量子密碼領域，需要探測單個光子的存在，這種硅基雪崩光電探測器的性能如果進一步提高，檢測到單個光子的可能性是存在的。

作為一種光電轉換器件，我們還會聯想到CCD——一種用于相機等成像設備的核心部件。憑借硅基雪崩光電探測器超高的靈敏度，我們也有機會制造出高性能的二維光探測矩陣，可以在紅外成像、遙感等領域發揮很大的作用，在衛星、軍事等領域都將會有廣闊的應用空間。

結束語

作為英特爾目前最重要的前瞻性研究領域之一，硅光電子研究的突破性進展對于整個計算和通信的未來都將會產生巨大的影響。當我們開始擔憂現有的技術是否會臨近極限，摩爾定律是否會走向終結的時候，新的革命性的技術卻早已經在孕育成長。我們將密切關注這一領域的最新進展，因為它有可能為我們帶來無比美好的明天。

光子計算機

1946年，第一臺真正意義的數字式電子計算機ENOAC誕生，重30噸，18000個電子管，功率25千瓦，主要用于計算彈道和氫彈的研制。60多年過去了，現如今我們所使用的電腦產品，其內部的各個部件之間以及部件內部依然依靠電子來傳送信息，這也是它們被稱為電子計算機、電腦的原因。然而研究人員卻一直夢想著能夠用光來制造一種全新革命性的計算機，這臺計算機能夠通過光子來傳遞信息，這將使電腦的速度增加數十倍，并且消耗的電能只有以往的百分之一。但是，由于技術成熟度和器件的成本、尺寸、量產能力的問題，光子計算機目前還只是一個相當遙遠的夢想。

硅基雪崩式光電探測器

作為一個有如此多定語的名詞，我們不妨將其挨個拆開來介紹：首先是探測器，這個很好理解，而光電探

測器也不難理解，如下團，半導體吸收層吸收一個光子后產生一個電子／電子空穴對，在恰當電場的作用下正負電荷分別向兩極遷移，并進而產生光電流。

雪崩式光電探測器，則是一種能夠起到放大作用的光電探測器，由光子激發出的攜帶很高能量的電子與硅原子相碰撞的時候又會激發出一個新的電子空穴對，新生的電子同樣也會激發又一波的電離化現象，在一連串的電離化以后，原先的電子會分化成百上千個電子，類似于雪崩效應，由一個很小的運動引發了一場規模巨大的運動，因此被稱作雪崩式光電探測器。

而通過大量的研究，英特爾發現硅非常適合雪崩式光電探測器的應用，并最終成功地運用硅和鍺材料來制作雪崩式光電探測器，利用鍺作為吸收層使光子激發出電子，再利用硅作為倍增層大幅增加光子激發的電子數量。有別于以往常用的Ⅲ－Ⅴ光電材料(見下文介紹)，這種雪崩式光電探測器被稱為硅基雪崩式光電探測器。

Ⅲ－Ⅴ族光電材料

Ⅲ－Ⅴ族，就是我們中學時化學課本上所學的元素周期表中第Ⅲ(三)和第Ⅴ(五)主族的元素，第Ⅲ族有硼(B)鋁(AI)鎵(Ga)錮(In)鉈(TI)，第V族則有氮(N)磷(p)砷(As)銻(Sb)鉍(Bi)。Ⅲ－Ⅴ族二元及多元組分化臺物例如GaAs、InP、InSb、GaAIAs、InGaAs、InGaP、InGaAsP等是常用的制造雪崩式光電探測器的材料。這些Ⅲ－Ⅴ族組分化合物可以通過調整各組分的含量以改變禁帶寬度，從而使其光譜吸收曲線拓展到光通信波段。

增益－帶寬積

對于雪崩式光電探測器來說，增益，帶寬積是一個極其重要的性能指標，在左側的示意圖上可以看到，縱坐標代表增益(信號放大倍數)，橫坐標代表帶寬(傳輸頻率，以GHz為單位)，在圍中有兩條曲線，分別代表硅基的雪崩探測器和常見的某種Ⅲ－Ⅴ族雪崩探測器。在同一曲線上的任意一點，它對應的增益和帶寬相乘起來都應該是一個常數，這是由雪崩探測器本身的物理機制造成的。對于英特爾的硅基雪崩探測器來說，也就是圖中的那條黃線，當工作在10GHz的時候增益可以達到30，是傳統探測器的3倍，在40GHz的情況下，增益也能夠接近10。更高的增益，帶寬積可以帶來兩方面的好處：一是在較低速的時候可以節省光源的能量、降低能耗；二是在高速數據傳輸時能夠保持很好的信號放大倍數，滿足系統對于帶寬的需要。