“光计算机”又迈出一大步

苏　锋

2008年12月7日，英特尔公司宣布其研究团队在硅光电子学领域取得了又一项重大的技术突破，成功使用基于硅的雪崩光电探测器(Silicon-basedAvalanche PhotodeteCtor)实现了创世界纪录的高性能，这款雪崩光电探测器使用硅和CMOS工艺实现了有史以来最高的340GHz“增益-带宽积”，这为降低40Gbps或更高数据传输速度的光学链路的成本开启了大门，同时也第一次证明了硅光电子元器件的性能可以超过现有的使用磷化铟(InP)等更昂贵传统材料制造的光电子元器件的性能。这项研究成果已经发表于当天出版的《自然—光子学》(NaturePhotonics)杂志。作为一项新兴技术，硅光电子学(Silicon Photonics)利用标准硅实现计算机和其它电子设备之间的光信息发送和接收。此项技术也可以应用于对带宽需求高的远程医疗和3D虚拟世界等未来数据密集型计算领域。

解读新闻背后的意义

这样一条新闻对于整个业界来说，其意义却远远超出其200余个汉字所能表达的范围。一时间，“金属导线下岗”、“电子计算机退休”、“光脑取代电脑”之类的词汇迅速在互联网上蔓延。毫无疑问，这是一个具有重大意义的技术突破，它验证了硅光电子学的技术愿景，为未来的超高速通讯、万亿级计算等领域的应用提供了技术保障，但从更宽广的时间跨度来看，英特尔在此领域的长期前瞻性研究已经进行了十余年，此领域的一个个技术难题被逐步突破，到现在所处的阶段则是一种基础基本完善、前景明确、进展顺利的状态，但是距离最终的产品化批量生产，仍然还有5到10年的距离。可以说，在从“电脑”走向“光脑”的漫长过程中，英特尔又迈出了关键性的一大步，而且步伐更加坚定。

在过去的2、3年中，本刊对于英特尔等公司在硅光电子学领域的技术发展一直保持着密切的关注。在2006年的3月和6月，我们在《微电脑世界》的技术趋势栏目分别详细介绍了光计算机研究新突破(fmd.pcworld.com.cn/22774)、英特尔硅光子技术及进展(find.pcworld，com，cn／22775)，从中我们了解到了硅光电子领域的探索性、基础性研究的进展和突破，并展望了光计算机的美好前景。在2008年6月，本刊记者在英特尔美国总部参加2008研究日活动时，也曾经进人英特尔公司最前沿且最看好的光子学技术实验室进行参观，该技术实验室总监马里奥·潘尼西亚(MarioPaniccia)向大家展示了英特尔在此领域的一些最新研究成果，以及实验室工作的管理和运行。

光纤的侵略：拓展疆域

我们不能期待一夜之间电脑之间和电脑内部突然全部变成光互联，虽然这听起来很美好。现实一点的情况是：我们可以期待光纤在与铜导线的分工和竞争中，逐步占领更多的地盘。在目前的高速互联方式中，光纤的应用主要集中在城域和长距离(100米至80公里)传输领域，也就是我们常说的骨干网络。到了数据中心、托管机房内，光纤和铜导线(网线)就开始渗透并存。也就是说，高速、高带宽、低能耗的光纤连接，基本上只覆盖到机柜、机架。对于日本等发达地区，光纤到桌面的互联网接人也已经相当普及。而更多的地方，光连接设备自身在大批量低成本生产方面还不够理想，限制了其更大规模、更短距离的普及应用。

英特尔近年来在硅材料CMOS工艺基础上的光子学研究，主要的目的就在于寻找一种能够实现低成本、小体积、大规模批量生产的光通信连接技术和工艺，利用低成本的硅来创造性生产新的光学器件。作为一个完整的领域，硅光子学研究包含了光源、光波导、光调制、光探测、低成本封装、生产工艺这6个关键环节。目前，英特尔已经在光源、光调制、光探测这三个方面获得了实质性的突破。在光源部分，英特尔在2005年2月推出首款连续波硅拉曼激光器、2006年9月推出混合硅激光器，2004年2月至2008年5月在光调制领域先后推出各种不同速度的硅调制器，最新的8通道集成产品已经可以达到200Gbps的惊人速度。在光探测部分，2007年8月推出了40Gbps PIN光电探测器，而这一次的硅基雪崩式探测器，凭借340GHz的速度成为了目前最高性能的产品。

如果在最后两个关键环节(低成本封装、生产工艺)能够做到足够出色，硅光子学研究就可以说是大功告成，而基于硅材料的封装和生产工艺对于英特尔来说，恰恰是最拿手的老本行，因此我们对该技术的商业化应用敢于持非常乐观的态度。

硅基雪崩光电探测器的应用前景

有了如此高性能的光电探测器件，我们可以拿它来做些什么?最显而易见的还是光通信领域。在节能环保被日益关注的今天。如果有更为灵敏光电探测器件，就可以显著降低激光的功率，从而达到大幅降低能耗的目的。此外，对于那些需要高灵敏度的同时还需要低成本的应用，例如光纤到桌面，基于硅的这种器件也能够发挥其优势。

除此之外，我们还很容易地将这种器件与一些高精尖的前沿领域联系在一起：例如量子密码领域，需要探测单个光子的存在，这种硅基雪崩光电探测器的性能如果进一步提高，检测到单个光子的可能性是存在的。

作为一种光电转换器件，我们还会联想到CCD——一种用于相机等成像设备的核心部件。凭借硅基雪崩光电探测器超高的灵敏度，我们也有机会制造出高性能的二维光探测矩阵，可以在红外成像、遥感等领域发挥很大的作用，在卫星、军事等领域都将会有广阔的应用空间。

结束语

作为英特尔目前最重要的前瞻性研究领域之一，硅光电子研究的突破性进展对于整个计算和通信的未来都将会产生巨大的影响。当我们开始担忧现有的技术是否会临近极限，摩尔定律是否会走向终结的时候，新的革命性的技术却早已经在孕育成长。我们将密切关注这一领域的最新进展，因为它有可能为我们带来无比美好的明天。

光子计算机

1946年，第一台真正意义的数字式电子计算机ENOAC诞生，重30吨，18000个电子管，功率25千瓦，主要用于计算弹道和氢弹的研制。60多年过去了，现如今我们所使用的电脑产品，其内部的各个部件之间以及部件内部依然依靠电子来传送信息，这也是它们被称为电子计算机、电脑的原因。然而研究人员却一直梦想着能够用光来制造一种全新革命性的计算机，这台计算机能够通过光子来传递信息，这将使电脑的速度增加数十倍，并且消耗的电能只有以往的百分之一。但是，由于技术成熟度和器件的成本、尺寸、量产能力的问题，光子计算机目前还只是一个相当遥远的梦想。

硅基雪崩式光电探测器

作为一个有如此多定语的名词，我们不妨将其挨个拆开来介绍：首先是探测器，这个很好理解，而光电探

测器也不难理解，如下團，半导体吸收层吸收一个光子后产生一个电子／电子空穴对，在恰当电场的作用下正负电荷分别向两极迁移，并进而产生光电流。

雪崩式光电探测器，则是一种能够起到放大作用的光电探测器，由光子激发出的携带很高能量的电子与硅原子相碰撞的时候又会激发出一个新的电子空穴对，新生的电子同样也会激发又一波的电离化现象，在一连串的电离化以后，原先的电子会分化成百上千个电子，类似于雪崩效应，由一个很小的运动引发了一场规模巨大的运动，因此被称作雪崩式光电探测器。

而通过大量的研究，英特尔发现硅非常适合雪崩式光电探测器的应用，并最终成功地运用硅和锗材料来制作雪崩式光电探测器，利用锗作为吸收层使光子激发出电子，再利用硅作为倍增层大幅增加光子激发的电子数量。有别于以往常用的Ⅲ－Ⅴ光电材料(见下文介绍)，这种雪崩式光电探测器被称为硅基雪崩式光电探测器。

Ⅲ－Ⅴ族光电材料

Ⅲ－Ⅴ族，就是我们中学时化学课本上所学的元素周期表中第Ⅲ(三)和第Ⅴ(五)主族的元素，第Ⅲ族有硼(B)铝(AI)镓(Ga)锢(In)铊(TI)，第V族则有氮(N)磷(p)砷(As)锑(Sb)铋(Bi)。Ⅲ－Ⅴ族二元及多元组分化台物例如GaAs、InP、InSb、GaAIAs、InGaAs、InGaP、InGaAsP等是常用的制造雪崩式光电探测器的材料。这些Ⅲ－Ⅴ族组分化合物可以通过调整各组分的含量以改变禁带宽度，从而使其光谱吸收曲线拓展到光通信波段。

增益－带宽积

对于雪崩式光电探测器来说，增益，带宽积是一个极其重要的性能指标，在左侧的示意图上可以看到，纵坐标代表增益(信号放大倍数)，横坐标代表带宽(传输频率，以GHz为单位)，在圍中有两条曲线，分别代表硅基的雪崩探测器和常见的某种Ⅲ－Ⅴ族雪崩探测器。在同一曲线上的任意一点，它对应的增益和带宽相乘起来都应该是一个常数，这是由雪崩探测器本身的物理机制造成的。对于英特尔的硅基雪崩探测器来说，也就是图中的那条黄线，当工作在10GHz的时候增益可以达到30，是传统探测器的3倍，在40GHz的情况下，增益也能够接近10。更高的增益，带宽积可以带来两方面的好处：一是在较低速的时候可以节省光源的能量、降低能耗；二是在高速数据传输时能够保持很好的信号放大倍数，满足系统对于带宽的需要。