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光子集成芯片:世界上最快的光芯片
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在美国硅谷实验室中,Infinera研发的创始人DavidWelch,手持着一个2厘米宽的金色的长方体,这就是用磷化铟等材料制成的半导体光子集成芯片。在这个外表看似简单的芯片中,集成了大量的复杂的光电器件,使得光通信从此进入了一个更低成本更高容量的新时代。

  光子集成技术是光纤通信最前沿、最有前途的领域。自1990年以来,密集波分复用系统(DWDM)的大规模应用,使得光通信有了飞速发展。DWDM系统中,多达80个不同波长的激光器调制的数据信号在光纤的一端复用,而后在一根细如发丝的光纤中传送。在光纤的另一端,光信号被解复用为不同波长,不同波长的数据信号通过光电转换最终进入到计算机。

  在信息传输的过程中,激光器进行发光,光复用器对信号进行复用/解复用,调制器对信号进行编码调制,检测器进行光电检测等等。在传统DWDM系统中,这些器件都分离在不同的板卡中,整个系统庞大而又昂贵。“没有人想过要将DWDM系统做在一个芯片上,也没有人试着这么做过”,Infinera将不可能的事情变成可能。

  2004年,大规模光子集成芯片——一对集成了50个光子器件的芯片呈现在人们的面前。此前,一些光芯片厂商只是做了一些少量器件的集成,现在,光子集成技术还成功地作出了400G和1.6T的芯片,实现了多达240个光器件的集成。

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  当人们还在固守着“全光通信”的思路的时候,网络已在悄然改变。节点设备需要光电变换,通过“O-E-O”才能将信号进行整形和放大,从而传给计算机。光子集成技术顺应了时代发展,光子集成比传统的分立“O-E-O”处理降低了成本和复杂性,带来的好处是,以更低的成本构建一个具有更多节点的全新的网络结构,更多的节点意味着更灵活的接入,更有效的维护和故障处理。

  光子集成芯片制造并不是一件容易的事情。光子器件具有三维结构,比二维结构的半导体集成要复杂得多。将激光器、检测器、调制器和其他器件都集成到芯片中,这些集成需要在不同材料多个薄膜介质层上重复地沉积和蚀刻,这些材料包括砷化铟镓、磷化铟等。

  磷化铟晶片在生产线上经过一种称为光刻胶的浆状化学物质进行包裹。紫外线光通过一个镂空设计的模板照射到光刻胶上,产生了复杂的反应,其中一些半导体材料就粘在了晶片上,一些就被蚀刻掉了。

  就像Intel使用光刻法制造PC机的硅微处理器一样,光子集成达到了一个很高的技术水平。但是还有些重要的不同,“在Intel芯片中,全部都是硅材料。在光子领域中,还需要很多种的半导体材料”,Welch说。磷化铟晶片比硅片需要更多次的沉淀和蚀刻。
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