調制與偵測器技術突破， 硅光子芯片互連應用指日可待。

　　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)臉藴?。?000年受到美國經(jīng)濟泡沫化及網(wǎng)絡市場對帶寬需求不如預期的影響下，光通信產(chǎn)業(yè)與客戶端的拓展曾經(jīng)沉寂一段時間。過去除政府單位或具大型網(wǎng)絡建置的企業(yè)外，一般終端使用者直接享受高比特率傳輸?shù)臋C會并不高。雖然目前高速光通信應用的領域仍以遠距離的骨干網(wǎng)絡服務為主，但根據(jù)目前主流產(chǎn)學論壇的評估，個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)字服務與數(shù)字內容等寬帶數(shù)據(jù)傳輸市場逐漸成熟，利用光做為載波基礎的各類新穎數(shù)字格式信號傳輸技術又開始被廣泛探討。特別的是，許多研究重點已從遠距的光纖網(wǎng)絡轉至點對點(又稱光鏈接)中距離的光纖到戶( FTTx)、  數(shù)據(jù)中心 (Data Center)服務器的數(shù)據(jù)傳輸，乃至近距離高速運算服務器內部模塊的信號傳輸，甚至于進入消費型電子產(chǎn)品，包括計算機、高畫質電視及三維(3D)圖像處理等寬帶產(chǎn)品，以及室內有線影音傳輸系統(tǒng)，亦為光通信技術的研究范疇。

　　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，其傳輸帶寬最高可達10Gbit/s，而蘋果(Apple)也已在開發(fā)相關的技術。另一方面，業(yè)界正致力結合硅基集成電路(IC)的成熟技術優(yōu)勢，從而開發(fā)硅基光電整合集成電路中之光互連傳輸。由于金屬導線的傳輸帶寬會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線在高速傳輸時損耗導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域。然而，利用光連結做高速中短距離數(shù)據(jù)傳輸，成本仍是一項重要考慮。

　　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體芯片、高速電路硅芯片、被動光學組件及光纖封裝而成，其中成本主要來自三五族半導體芯片及系統(tǒng)封裝。雖然其傳輸速度可達40Gbit/s以上，但比起用電纜傳輸而言，價格卻相對昂貴許多，因此近幾年來，高速硅光電(Silicon Photonic)組件變成一項相當熱門的研究題材(圖1)，主要研究動機是想藉由芯片量產(chǎn)技術降低芯片生產(chǎn)成本、提升良率，另一方面，經(jīng)由縮小硅光電、光學組件的尺寸，進一步和后端電路整合在一起，降低封裝成本。

　　現(xiàn)階段硅光電技術應用于光連結大致可分為三大領域——主動式光纜(Active Optical Cable)、熱插入光電傳收模塊(Plug-in Optical Transceiver Module)及芯片內鏈接(On-chip Optical Interconnect)。

　　主動式光纜的研發(fā)以Luxtera為代表，其于數(shù)個光纖的兩側封裝硅光電傳收芯片，該組件內部結構可參考圖2，首先在芯片上直接制作被動光纖耦合器、高速硅光學調制器、硅鍺光偵器、驅動電路及轉阻放大器，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對準的問題，然而每條光纜的成本價格相對較高。

圖2 硅光子主動式光纜　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技術架構相同，也是目前英特爾硅光子研究團隊未來可能的發(fā)展方向?；旧?，該做法和主動式光纜唯一的差別在于，硅光電傳收芯片整合在硬件信號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，導致開發(fā)光源時會有較低的發(fā)光效率，雖然已有學術文章致力探討硅奈米結構量子局限效應，而有四個數(shù)量級提升的發(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?shù)呐臻g。因此，在硅光子領域的光源開發(fā)有一部分是利用三五族半導體激光二極管直接整合硅光電組件進而形成混成激光(Hybrid Laser)的技術。

　　混成激光技術剖析

　　此種技術早在2006年，英特爾和加州大學圣塔芭芭拉分校(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，形成發(fā)光波長在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，他們在2007年進一步設計將其結構設計成環(huán)形式激光(Racetrack Laser)，將發(fā)光波長藍移至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年該團隊將該技術做成鎖模激光(Mode-locking Laser)，分別將其重復頻率及脈沖寬度提升為30GHz及7微微秒(ps)以及中心波長為1,588.75奈米。

　　另一方面，他們在來年開發(fā)微型環(huán)激光(Micro-ring Laser)做光信號傳輸，使其最大信號輸出功率-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年由英特爾宣布內建混成硅晶激光的實驗性芯片之產(chǎn)品原型。經(jīng)由硅積體光學多任務器及解多任務器，其傳輸帶寬可達50Gbit/s，更高的傳輸帶寬可藉由更多的波長通道(Wavelength Channel)達成。但英特爾仍持續(xù)進行光源開發(fā)，并于2011年成功開發(fā)回饋型混成激光(DFB Hybrid Laser)，有效造成側模抑制(Side Mode Suppression Ratio, SMSR)為40dB，并且產(chǎn)生發(fā)光波長在1,590奈米及發(fā)光功率在1.3毫瓦單頻半導體激光(DFB激光)。

　　2013年1月，英特爾和Facebook提出合作計劃，將共同開發(fā)新一代數(shù)據(jù)中心架構，在此架構中，運算器、內存、數(shù)據(jù)儲存媒體及傳輸接口皆可獨立更新，并利用英特爾已開發(fā)的硅光電技術用于各個硬件之間的數(shù)據(jù)傳輸，信道速度達100Gbit/s。

　　多核CPU內聯(lián)機應用

　　硅光電技術于光連結最高極致的應用是在多核心中央處理器(CPU)芯片的內聯(lián)機系統(tǒng)。一般來說，如果單一信道數(shù)據(jù)傳輸量達到10Gbit/s以上，金屬導線的信號傳輸質量就會嚴重下降，其主要的原因為高頻信號隨著傳輸距離急遽衰減、高頻信號的電磁干擾以及信號的損耗使芯片的溫度增高。

　　利用光連結取代電連結可有效解決高速芯片傳輸信息量的限制。隨著積體光學技術的發(fā)展，光學組件的整合性已不輸給電子組件。以硅線波導為例，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，再加上愈趨成熟的光信號處理技術(如分光、多任務及光切換等)，許多原先必須仰賴芯片運算的功能也可由光積電路取代。

　　該領域的研究以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)垂直整合技術加入至多核心運算層，形成一所謂“超級芯片”架構。IBM目前已開發(fā)標準90奈米制程的初步硅光連結層，該光鏈接層上有被動光纖耦合器、多任務器、解多任務器、高速硅光學調制器、硅鍺光偵器、驅動電路及轉阻放大器，藉由多波長分工概念，每個硅波導數(shù)據(jù)傳輸量可達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 硅光子芯片內聯(lián)機系統(tǒng)　圖片來源：IBM

　　調制器帶寬達40GHz　高速通訊/全光計算近了

　　此外，2004年，英特爾整合金屬氧化半導體電容(Metal-oxide-semiconductor Capacitor)與硅基光波導結構，成功制作出硅基全光快速相位調制器(High-speed Optical Phase Modulator)，并且將該相位調制器用于硅基馬赫曾德調制器(Mach-Zehnder Interferometer)(圖5)，其3dB調制帶寬可達1GHz，當時的研究成果發(fā)表于國際期刊《Nature》。當順向偏壓施加于組件時，這時在閘極的氧化層(Gate Oxide)會出現(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接口的電荷濃度會改變硅基光波導的折射率，進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制器，適當?shù)恼{整電壓大小與波導長度，便可輕易的調整光場相位的變化，即控制輸出光場建設性或破壞性的干涉，以達到光信號的調制。

圖5 硅基馬赫曾德調制器相位調制器與其傳輸結果

　　2005年英特爾延續(xù)之前硅基馬赫曾德調制器的工作并且進行優(yōu)化，不僅縮小組件尺寸，使光波導截面面積由原本的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?？s小組件尺寸有利于光場的集中，因此光場在氧化層的強度較先前的組件來的強，故光場與累積在氧化層的電荷作用力也較強，進而使得相位調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)由實驗量測得到的組件阻抗為6.5Ω，等效電容為2.4pF，經(jīng)過計算后該組件的調制帶寬約10GHz，可傳送4?6Gbit/s數(shù)字非歸零格式信號(圖6)。

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

　　由于金屬氧化半導體電容結構其電容特性，大大影響硅基馬赫曾德調制器的響應速度(RC Delay)，2007年，英特爾使用PN接面取代金屬氧化半導體電容結構來達到更高速調制速率(圖7)。此外，配合行波式電極設計與電路之阻抗匹配，使得組件操作帶寬可達40GHz，圖7為行波式硅基馬赫曾德調制器的頻率響應圖。最后，這樣高速的調制組件為硅光子學領域內的一大突破，并且為實現(xiàn)高速通訊與全光計算之重大邁進。

圖7 行波式電極之硅基光調制器組件結構圖

　　從技術角度來看，硅光信號調制器及硅鍺光偵器已發(fā)展得相當成熟，其操作速度皆可達25Gbit/s以上，唯一的考慮在于如何減少硅光信號調制器的尺寸大小、提高對溫度的穩(wěn)定性，及增加硅鍺光偵器的靈敏度等。利用互補式金屬氧化物半導體(CMOS)制程或準CMOS制程整合硅光電組件及電路于單芯片也大致驗證可行。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，此部分的做法與應用領域及產(chǎn)品定位有關，可以是將整個雷射晶粒封裝，或是如英特爾所采用三五族半導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)應用已指日可待。