調(diào)制與偵測(cè)器技術(shù)突破， 硅光子芯片互連應(yīng)用指日可待。

　　高速光通信在過去30幾年來的發(fā)展下，已經(jīng)成為有線高速信息傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。在2000年受到美國(guó)經(jīng)濟(jì)泡沫化及網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)對(duì)帶寬需求不如預(yù)期的影響下，光通信產(chǎn)業(yè)與客戶端的拓展曾經(jīng)沉寂一段時(shí)間。過去除政府單位或具大型網(wǎng)絡(luò)建置的企業(yè)外，一般終端使用者直接享受高比特率傳輸?shù)臋C(jī)會(huì)并不高。雖然目前高速光通信應(yīng)用的領(lǐng)域仍以遠(yuǎn)距離的骨干網(wǎng)絡(luò)服務(wù)為主，但根據(jù)目前主流產(chǎn)學(xué)論壇的評(píng)估，個(gè)人客戶端傳輸比特率將在2015年與2023年分別提升至1Gbit/s與10Gbit/s。

　　由于近幾年數(shù)字服務(wù)與數(shù)字內(nèi)容等寬帶數(shù)據(jù)傳輸市場(chǎng)逐漸成熟，利用光做為載波基礎(chǔ)的各類新穎數(shù)字格式信號(hào)傳輸技術(shù)又開始被廣泛探討。特別的是，許多研究重點(diǎn)已從遠(yuǎn)距的光纖網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)至點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(又稱光鏈接)中距離的光纖到戶( FTTx)、  數(shù)據(jù)中心 (Data Center)服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸，乃至近距離高速運(yùn)算服務(wù)器內(nèi)部模塊的信號(hào)傳輸，甚至于進(jìn)入消費(fèi)型電子產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)、高畫質(zhì)電視及三維(3D)圖像處理等寬帶產(chǎn)品，以及室內(nèi)有線影音傳輸系統(tǒng)，亦為光通信技術(shù)的研究范疇。

　　比較著名的例子是在2011年由索尼(Sony)所開發(fā)的VAIO-Z高階筆記本電腦，已經(jīng)搭載英特爾(Intel)的Thunderbolt(原名Lightpeak)技術(shù)，其傳輸帶寬最高可達(dá)10Gbit/s，而蘋果(Apple)也已在開發(fā)相關(guān)的技術(shù)。另一方面，業(yè)界正致力結(jié)合硅基集成電路(IC)的成熟技術(shù)優(yōu)勢(shì)，從而開發(fā)硅基光電整合集成電路中之光互連傳輸。由于金屬導(dǎo)線的傳輸帶寬會(huì)受到本身組件特性而受限，利用光通信則能有效突破金屬導(dǎo)線在高速傳輸時(shí)損耗導(dǎo)致的帶寬距離乘積限制。為整合光通信與現(xiàn)有集成電路，以硅為基底的各式功能性光電組件成為目前方興未艾的熱門研究領(lǐng)域。然而，利用光連結(jié)做高速中短距離數(shù)據(jù)傳輸，成本仍是一項(xiàng)重要考慮。

　　降低三五族芯片/封裝成本　高速硅光電組件炙手可熱

　　傳統(tǒng)光通信模塊是將三五族半導(dǎo)體芯片、高速電路硅芯片、被動(dòng)光學(xué)組件及光纖封裝而成，其中成本主要來自三五族半導(dǎo)體芯片及系統(tǒng)封裝。雖然其傳輸速度可達(dá)40Gbit/s以上，但比起用電纜傳輸而言，價(jià)格卻相對(duì)昂貴許多，因此近幾年來，高速硅光電(Silicon Photonic)組件變成一項(xiàng)相當(dāng)熱門的研究題材(圖1)，主要研究動(dòng)機(jī)是想藉由芯片量產(chǎn)技術(shù)降低芯片生產(chǎn)成本、提升良率，另一方面，經(jīng)由縮小硅光電、光學(xué)組件的尺寸，進(jìn)一步和后端電路整合在一起，降低封裝成本。

　　現(xiàn)階段硅光電技術(shù)應(yīng)用于光連結(jié)大致可分為三大領(lǐng)域——主動(dòng)式光纜(Active Optical Cable)、熱插入光電傳收模塊(Plug-in Optical Transceiver Module)及芯片內(nèi)鏈接(On-chip Optical Interconnect)。

　　主動(dòng)式光纜的研發(fā)以Luxtera為代表，其于數(shù)個(gè)光纖的兩側(cè)封裝硅光電傳收芯片，該組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)可參考圖2，首先在芯片上直接制作被動(dòng)光纖耦合器、高速硅光學(xué)調(diào)制器、硅鍺光偵器、驅(qū)動(dòng)電路及轉(zhuǎn)阻放大器，最后再將光纖及電射晶粒組裝于芯片上。其雙向傳輸速度為40Gbit/s、傳輸長(zhǎng)度4,000公尺，并可將速度提升至112Gbit/s。由于光纖已和芯片封裝在一起，可免去在使用上光學(xué)對(duì)準(zhǔn)的問題，然而每條光纜的成本價(jià)格相對(duì)較高。

圖2 硅光子主動(dòng)式光纜　數(shù)據(jù)源：www.luxtera.com

　　另一做法是將硅光電傳收芯片直接組裝至硬件電路板上，然后藉由一熱插入裝置和光纖光纜連接(圖3)。此概念和英特爾發(fā)展的Lightpeak技術(shù)架構(gòu)相同，也是目前英特爾硅光子研究團(tuán)隊(duì)未來可能的發(fā)展方向。基本上，該做法和主動(dòng)式光纜唯一的差別在于，硅光電傳收芯片整合在硬件信號(hào)傳輸端上而不在光纜上。

圖3 硅光電傳收芯片　圖片來源：Intel

　　此外，為倡議在芯片內(nèi)部傳輸比特率的提升，IBM也提出光子芯片光互連系統(tǒng)，但由于硅元素本身材料特性，導(dǎo)致開發(fā)光源時(shí)會(huì)有較低的發(fā)光效率，雖然已有學(xué)術(shù)文章致力探討硅奈米結(jié)構(gòu)量子局限效應(yīng)，而有四個(gè)數(shù)量級(jí)提升的發(fā)光效率，但目前而言，距離成為具商業(yè)化階段的產(chǎn)品仍有相當(dāng)?shù)呐臻g。因此，在硅光子領(lǐng)域的光源開發(fā)有一部分是利用三五族半導(dǎo)體激光二極管直接整合硅光電組件進(jìn)而形成混成激光(Hybrid Laser)的技術(shù)。

　　混成激光技術(shù)剖析

　　此種技術(shù)早在2006年，英特爾和加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校(UC Santa Barbara)就已開始研究。他們利用將砷化鋁鎵銦(AlGaInAs)做成量子井(Quantum Well)，激光接合硅波導(dǎo)，形成發(fā)光波長(zhǎng)在1,770奈米(nm)及發(fā)光功率在1.8毫瓦(mW)的混成激光，但是發(fā)光效率只有12.7%。因此，他們?cè)?007年進(jìn)一步設(shè)計(jì)將其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成環(huán)形式激光(Racetrack Laser)，將發(fā)光波長(zhǎng)藍(lán)移至1,590奈米、提升發(fā)光功率為29毫瓦，并將其發(fā)光效率增至17%。2008年該團(tuán)隊(duì)將該技術(shù)做成鎖模激光(Mode-locking Laser)，分別將其重復(fù)頻率及脈沖寬度提升為30GHz及7微微秒(ps)以及中心波長(zhǎng)為1,588.75奈米。

　　另一方面，他們?cè)趤砟觊_發(fā)微型環(huán)激光(Micro-ring Laser)做光信號(hào)傳輸，使其最大信號(hào)輸出功率-50dBm，并且造成消光比(Extinction Ratio)及線寬分別超過40dB及0.045奈米。并且在2010年由英特爾宣布內(nèi)建混成硅晶激光的實(shí)驗(yàn)性芯片之產(chǎn)品原型。經(jīng)由硅積體光學(xué)多任務(wù)器及解多任務(wù)器，其傳輸帶寬可達(dá)50Gbit/s，更高的傳輸帶寬可藉由更多的波長(zhǎng)通道(Wavelength Channel)達(dá)成。但英特爾仍持續(xù)進(jìn)行光源開發(fā)，并于2011年成功開發(fā)回饋型混成激光(DFB Hybrid Laser)，有效造成側(cè)模抑制(Side Mode Suppression Ratio, SMSR)為40dB，并且產(chǎn)生發(fā)光波長(zhǎng)在1,590奈米及發(fā)光功率在1.3毫瓦單頻半導(dǎo)體激光(DFB激光)。

　　2013年1月，英特爾和Facebook提出合作計(jì)劃，將共同開發(fā)新一代數(shù)據(jù)中心架構(gòu)，在此架構(gòu)中，運(yùn)算器、內(nèi)存、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存媒體及傳輸接口皆可獨(dú)立更新，并利用英特爾已開發(fā)的硅光電技術(shù)用于各個(gè)硬件之間的數(shù)據(jù)傳輸，信道速度達(dá)100Gbit/s。

　　多核CPU內(nèi)聯(lián)機(jī)應(yīng)用

　　硅光電技術(shù)于光連結(jié)最高極致的應(yīng)用是在多核心中央處理器(CPU)芯片的內(nèi)聯(lián)機(jī)系統(tǒng)。一般來說，如果單一信道數(shù)據(jù)傳輸量達(dá)到10Gbit/s以上，金屬導(dǎo)線的信號(hào)傳輸質(zhì)量就會(huì)嚴(yán)重下降，其主要的原因?yàn)楦哳l信號(hào)隨著傳輸距離急遽衰減、高頻信號(hào)的電磁干擾以及信號(hào)的損耗使芯片的溫度增高。

　　利用光連結(jié)取代電連結(jié)可有效解決高速芯片傳輸信息量的限制。隨著積體光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)組件的整合性已不輸給電子組件。以硅線波導(dǎo)為例，其高度及寬度約在數(shù)百奈米大小左右，可彎曲半徑也在10微米(μm)以內(nèi)，再加上愈趨成熟的光信號(hào)處理技術(shù)(如分光、多任務(wù)及光切換等)，許多原先必須仰賴芯片運(yùn)算的功能也可由光積電路取代。

　　該領(lǐng)域的研究以IBM、惠普(HP)及甲骨文(Oracle)的投入最多。圖4是IBM所提出的硅光子芯片光互連系統(tǒng)，其中光鏈接層可利用三維(3D)垂直整合技術(shù)加入至多核心運(yùn)算層，形成一所謂“超級(jí)芯片”架構(gòu)。IBM目前已開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)90奈米制程的初步硅光連結(jié)層，該光鏈接層上有被動(dòng)光纖耦合器、多任務(wù)器、解多任務(wù)器、高速硅光學(xué)調(diào)制器、硅鍺光偵器、驅(qū)動(dòng)電路及轉(zhuǎn)阻放大器，藉由多波長(zhǎng)分工概念，每個(gè)硅波導(dǎo)數(shù)據(jù)傳輸量可達(dá)25Gbit/s，但如何整合光源、降低組件消耗功率仍是一大挑戰(zhàn)。

圖4 硅光子芯片內(nèi)聯(lián)機(jī)系統(tǒng)　圖片來源：IBM

　　調(diào)制器帶寬達(dá)40GHz　高速通訊/全光計(jì)算近了

　　此外，2004年，英特爾整合金屬氧化半導(dǎo)體電容(Metal-oxide-semiconductor Capacitor)與硅基光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，成功制作出硅基全光快速相位調(diào)制器(High-speed Optical Phase Modulator)，并且將該相位調(diào)制器用于硅基馬赫曾德調(diào)制器(Mach-Zehnder Interferometer)(圖5)，其3dB調(diào)制帶寬可達(dá)1GHz，當(dāng)時(shí)的研究成果發(fā)表于國(guó)際期刊《Nature》。當(dāng)順向偏壓施加于組件時(shí)，這時(shí)在閘極的氧化層(Gate Oxide)會(huì)出現(xiàn)電荷累積的現(xiàn)象，由于硅材料擁有折射率隨載子濃度變化的特性，這些在氧化層與硅基波導(dǎo)接口的電荷濃度會(huì)改變硅基光波導(dǎo)的折射率，進(jìn)一步影響光相位特性。因此，透過該物理特性，將此用于馬赫曾德調(diào)制器，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整電壓大小與波導(dǎo)長(zhǎng)度，便可輕易的調(diào)整光場(chǎng)相位的變化，即控制輸出光場(chǎng)建設(shè)性或破壞性的干涉，以達(dá)到光信號(hào)的調(diào)制。

圖5 硅基馬赫曾德調(diào)制器相位調(diào)制器與其傳輸結(jié)果

　　2005年英特爾延續(xù)之前硅基馬赫曾德調(diào)制器的工作并且進(jìn)行優(yōu)化，不僅縮小組件尺寸，使光波導(dǎo)截面面積由原本的2.5微米×2.3微米，縮小至1.6微米×1.55微米，并且將原先P型多晶硅層改用單晶硅取代。此外，英特爾還將參雜濃度提升。縮小組件尺寸有利于光場(chǎng)的集中，因此光場(chǎng)在氧化層的強(qiáng)度較先前的組件來的強(qiáng)，故光場(chǎng)與累積在氧化層的電荷作用力也較強(qiáng)，進(jìn)而使得相位調(diào)制效率獲得約兩倍的提升。改用單晶硅取代原先的多晶硅的制程，可使組件缺陷較少，讓組件損耗降低，由原先的16dB/cm下降至10dB/cm。而高濃度的參雜，增強(qiáng)載子注入的能力，也降低阻抗，配合上組件尺度的縮小，經(jīng)由實(shí)驗(yàn)量測(cè)得到的組件阻抗為6.5Ω，等效電容為2.4pF，經(jīng)過計(jì)算后該組件的調(diào)制帶寬約10GHz，可傳送4?6Gbit/s數(shù)字非歸零格式信號(hào)(圖6)。

圖6 信號(hào)傳輸之眼圖，(a)信號(hào)比特率4Gbit/s。(b)信號(hào)比特率6Gbit/s

　　由于金屬氧化半導(dǎo)體電容結(jié)構(gòu)其電容特性，大大影響硅基馬赫曾德調(diào)制器的響應(yīng)速度(RC Delay)，2007年，英特爾使用PN接面取代金屬氧化半導(dǎo)體電容結(jié)構(gòu)來達(dá)到更高速調(diào)制速率(圖7)。此外，配合行波式電極設(shè)計(jì)與電路之阻抗匹配，使得組件操作帶寬可達(dá)40GHz，圖7為行波式硅基馬赫曾德調(diào)制器的頻率響應(yīng)圖。最后，這樣高速的調(diào)制組件為硅光子學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的一大突破，并且為實(shí)現(xiàn)高速通訊與全光計(jì)算之重大邁進(jìn)。

圖7 行波式電極之硅基光調(diào)制器組件結(jié)構(gòu)圖

　　從技術(shù)角度來看，硅光信號(hào)調(diào)制器及硅鍺光偵器已發(fā)展得相當(dāng)成熟，其操作速度皆可達(dá)25Gbit/s以上，唯一的考慮在于如何減少硅光信號(hào)調(diào)制器的尺寸大小、提高對(duì)溫度的穩(wěn)定性，及增加硅鍺光偵器的靈敏度等。利用互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)制程或準(zhǔn)CMOS制程整合硅光電組件及電路于單芯片也大致驗(yàn)證可行。目前唯一尚未有定論的是如何整合光源及光纖封裝方式。然而，此部分的做法與應(yīng)用領(lǐng)域及產(chǎn)品定位有關(guān)，可以是將整個(gè)雷射晶粒封裝，或是如英特爾所采用三五族半導(dǎo)體晶圓接合后制程方法，光纖封裝則取決于通道數(shù)目及成本，但整體而言，硅光電組件商業(yè)應(yīng)用已指日可待。