每秒50GB!圖解英特爾矽光通訊技術

7月27日，英特爾研究院正式發布了50G矽基光電聯結系統的研究成果。利用混合矽雷射器技術，英特爾開發出世界上第一個集成雷射器的矽基光電數據聯結系統，並在實驗室內完成了每秒500億比特（50Gbps）的數據傳輸速度。基於該技術的低成本、高速光纖通訊技術未來可以徹底改變從上網本到超級計算機等各種系統的數據傳輸方式。

英特爾中國研究院參與了有關矽基光電聯結系統的技術宣講會，由英特爾研究院副總裁、電路與系統研究院總監王文漢博士和英特爾研究院光電子技術實驗室首席工程師劉安勝博士介紹了「50G矽基光電聯結系統」的研發背景，關鍵技術以及應用前景。

王文漢博士首先介紹了光電通信的發展歷程。他表示，從20世紀60年代雷射器首次問世到今天，人們已經可以利用雷射器產生各種超高帶寬、超長距離、免受電噪聲幹擾的雷射，以此推動了高速通信的巨大發展。而自從1959年集成電路發明以來，大批量、低成本製造高集成、可擴展的電路成為現實，半導體行業不斷推動計算性能的提升和成本的降低。如果讓在矽材料中傳播接近真空光速的雷射進入高集成度的矽元件中，進行數據與信號的傳輸，將會為計算與通信帶來怎樣的革命？這兩者的結合就是矽光電技術。

雷射器的發展歷程與半導體工藝的發展歷程

作為一項新興技術，矽光電技術（Silicon Photonics）是利用標準矽實現計算機和其它電子設備之間的光信息發送和接收。簡單地說，該技術就是用光來替代傳統的銅導線傳輸信號，以獲得更高的傳輸速度。

王文漢博士表示，英特爾一直在致力於用矽技術+雷射器實現更高傳輸速率更低成本的光通信技術——從而大幅度的降低產品尺寸、成本和能耗。他認為，矽光電技術將有效提高系統內部和外部的傳輸速度，從而消除電信號傳輸帶來的瓶頸，將光信號傳輸革命性的應用在計算和通信領域。

系統原理和關鍵技術

據劉安勝博士介紹，英特爾從90年代中期開始就在進行矽光電技術的研究，但由於矽材料更適用於電路傳輸而不是光波，因此矽基雷射的產生一直是問題——在源頭就有問題。直到2005年2月，英特爾宣布用標準矽組件開發了全球第一套能驅動連續雷射的「連續波拉曼雷射器」，利用拉曼效應與矽晶結構來放大通過矽組件的雷射，將外部光源導入實驗晶片之後可以產生連續的雷射束。

在取得了突破性進展之後，2006年全球首個混合矽雷射器在英特爾和加州大學聖巴巴拉分校的聯合研發下誕生。通過將磷化銦（Indium Phosphide）的發光屬性和矽的光路能力整合到單一晶片中，該技術使得計算機內部可採用低成本、萬億比特級的光學數據通道，並使高性能計算迎來新的時代。

2007年舊金山IDF，英特爾宣布已經開發成功全新的矽雷射調節器，能夠以40Gb每秒的速度對數據進行編碼——到了2008年2月，則發布了全球首款「級聯拉曼矽雷射器」，該雷射器與2005年的「連續拉曼雷射器」相比，將雷射波長衍生到中紅外區，實現了正大的性能提升。

2008年12月，英特爾發布了「雪崩矽雷射電探測器」，以矽和CMOS工藝實現了有史以來最高的340GHz「增益帶寬積」，利用半導體的「雪崩特性」，使得矽基光電設備首次超越了傳統玻璃材質光纖傳輸設備，從成本上考慮，矽材質光傳輸設備更適合大批量生產，降低成本。

Light Peak「光峰技術」是2009年IDF上發布的新技術，其10Gb/s的高帶寬將可以在未來5年內為人們提供高清視頻傳輸、移動數據等更輕便，更快速的傳輸連線技術。

今天英特爾發布了50Gb傳輸速率的矽基光電技術，從外觀來看十分類似於Light Peak「光峰技術」。從下圖可以看出，它同樣由發射模塊和接收模塊組成，光纖做傳輸介質，其核心技術還是發射和接收信號的矽晶片。

矽基晶片如何產生雷射

那麼矽基晶片本身並沒有光學特質，又是如何產生雷射的呢？筆者記得第一個雷射器是紅寶石雷射器，利用均勻紅寶石兩端的不透光性（一端75%，一端100%），使得電激發一端的光子，另一端發出具有極規則約束的紅色光束——經典的紅寶石雷射器。那麼從下圖可以看出，這款50Gb雷射器的原理是之前介紹的一系列技術的疊加。

利用了磷化銦（Indium Phosphide）的發光屬性在後端做組合雷射器，通過雪崩效應增益，前端晶片部分集合了幾個通道的調製器將傳入晶片的信號與光源調製在一起，然後多路復用之後形成載波光束傳入光纖。下圖所示的發光原理是矽基光電雷射器的根本關鍵技術，它自激發產生的光子特性解決了矽基晶片不適用於光環境的問題——進一步想，若是在CPU中鋪上這層物質，是否CPU得計算可以用光來進行而非直流電？那麼漏電帶來的功耗和發熱問題是否就進一步得到了解決？而限制半導體工藝中的漏電問題是不是也迎刃而解進而可以突破到更先進的工藝？這都是可以遷移和引發設計思路的問題。

接收端的情況類似，接收晶片利用一個光信號分離電路用於將光子轉化為電子信號，之後由光電解調器識別信號輸出。

整體結構如下圖，除了矽基光電晶片之外（倒裝），還能看到輔助的電路板、可插拔的光纜連接——很多人可能會誤以為那個插拔的東西是晶片，其實不是。

未來應用無限

從信號強度和信噪比的「魚眼圖」可以看出，這款50Gb矽基光電聯結系統的傳輸性能是相當不錯的。劉安勝博士還表示，實際上這是實驗產品的測試數據，在未來面向商業化產品的過程中這些設計還會進一步優化，進而帶來更好的性能提升。

反過來，採用多路級聯等技術，英特爾可以進一步將50Gb的聯結速率提升到100Gbs。如下圖，將調製方式改變進而提升單路載波的信息量，使得四通道矽基光電傳輸的整體速度達到100Gbps；另一個方法是通過八通道方式同一時間發送100Gbps的數據。兩種做法效果一樣，但針對的應用卻不相同（類似高頻率少內核，低頻率多內核分別適用於串行應用和並行應用一樣）。

從應用上來看，王文漢博士表示，未來這一技術將普遍應用於雷射光譜學、健康保健、環境監測、生物醫學分析、工業流程控制、自由空間通信及溫室氣體測量等各領域，擁有極為廣闊的商業應用前景，並在性能、成本、體積等多方面均具優勢。

那麼50Gb/s的速度能幹什麼呢？

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【責任編輯：

景琦

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