當(dāng)我們淘汰掉可靠且純手工裝配起來的含數(shù)百個(gè)光學(xué)零件的組件，而轉(zhuǎn)向硅光子學(xué)之際，我們將進(jìn)入一個(gè)美好新世界。有些光學(xué)功能可容易地用硅實(shí)現(xiàn)，而有些并不容易實(shí)現(xiàn)。我們不能，也不應(yīng)該把一些舊器件同一個(gè)硅芯片混搭在一

起以搭建一個(gè)不純粹的硅光子方案。其實(shí)，我們需要將整個(gè)光學(xué)引擎整合到硅平臺。

　　最近，麥利在采訪Andy　Bechtolsheim后寫了一篇《硅光子學(xué)熱》的文章。讀了這篇文章后，使我更深入地了解了將交換網(wǎng)絡(luò)從10G提升100G，并最終達(dá)到1,000G所面臨的硅光子學(xué)技術(shù)挑戰(zhàn)。當(dāng)我們淘汰掉可靠且純手工裝配起來的含數(shù)百個(gè)光學(xué)零件的組件，而轉(zhuǎn)向硅光子學(xué)之際，我們將進(jìn)入一個(gè)美好新世界。有些光學(xué)功能可容易地用硅實(shí)現(xiàn)，而有些并不容易實(shí)現(xiàn)。我們不能，也不應(yīng)該把一些舊器件同一個(gè)硅芯片混搭在一起以搭建一個(gè)不純粹的硅光子方案。其實(shí)，我們需要將整個(gè)光學(xué)引擎整合到硅平臺。

　　光學(xué)引擎處理多個(gè)高速電通道、將它們轉(zhuǎn)換為光信號、將這些信道的信息組合在一起、并通過一條光纖將這些信息傳送到——從近到下一個(gè)機(jī)架遠(yuǎn)至橫跨整個(gè)數(shù)據(jù)中心另一端的任何地點(diǎn)。在接收端，光學(xué)引擎將接收到的光流分離為不同信道、再變換回電信道。在數(shù)據(jù)中心，光學(xué)引擎是用于連接集群交換機(jī)和路由器的一種功耗最低、體積最小的可插入收發(fā)器技術(shù)；光學(xué)引擎還用于連接服務(wù)器刀片和交換機(jī)的有源光纜。此外，用不了多久光學(xué)引擎將會內(nèi)嵌入中夾板(mid-board) 以降低板對板應(yīng)用的功耗并增加密度。但是，要在本來為實(shí)現(xiàn)電氣功能設(shè)計(jì)的CMOS 平臺上整合光學(xué)功能會遇到許多挑戰(zhàn)。讓我們看看各關(guān)鍵的光電功能及將其完全集成在一個(gè)CMOS 平臺所面臨的挑戰(zhàn)。

　　激光器為光學(xué)引擎提供光源，但一些數(shù)據(jù)中心用激光器售價(jià)不菲。 Kotura 公司已使用低成本低速激光器開發(fā)出片上功能。激光器是種尚沒實(shí)現(xiàn)單片集成的光學(xué)部件，但激光器和陣列的倒裝芯片綁定技術(shù)的最新發(fā)展，已使其成為一種大批量、低成本工藝。片上功能去掉了激光器亞組件傳統(tǒng)上所需的任何鏡頭、隔離器和光束準(zhǔn)直器。Kotura 的激光器設(shè)計(jì)去掉了昂貴的密封包裝。在自動組裝平臺上，只需幾秒就可對激光器陣列進(jìn)行整布并將其綁定到硅光子芯片上，而且還攻克了將低成本光源整合到芯片中這一最棘手的難題。

　　真正價(jià)值在于其能將多個(gè)波長的光組合成同一條物理信道的能力。對100G互連來說，我們使用這種稱為波分復(fù)用(WDM)的并行性，把4個(gè)波長的光組合在一條光纖上。當(dāng)然，四條平行光纖信道也能工作，但這增加了網(wǎng)絡(luò)成本、也浪費(fèi)了光纖帶寬。波分復(fù)用允許我們使用同一數(shù)據(jù)中心架構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)展，以在未來支持更多信道。

因?yàn)椴ǚ謴?fù)用既需要特定波長激光器又需多路復(fù)用器，所以用硅光子學(xué)來實(shí)現(xiàn)并非易事。盡管如此，我們也不希望使用電信網(wǎng)絡(luò)中常用的昂貴的特定波長激光器。一個(gè)更好的方案是使用通用激光器，并通過在硅芯片上集成光柵反射鏡將通用激光器轉(zhuǎn)換成特定波長激光器。通過改變反射鏡的位置，Kotura 將每個(gè)增益芯片變成一款獨(dú)特的特定波長激光器。

　　調(diào)制器和探測器

　　調(diào)制器：成本最低、最有效的方案是直接將電信道轉(zhuǎn)換成光信道。這意味著調(diào)制器必須工作在最高的電氣數(shù)據(jù)速率，以便才能完成轉(zhuǎn)換。100G 網(wǎng)絡(luò)物理上是由四條25G 電信道( 全部網(wǎng)絡(luò)器件都將其視為100G 信道) 實(shí)現(xiàn)的，所以調(diào)制器起碼要不低于25G。還有其它方面的限制：驅(qū)動電壓必須兼容CMOS；在25G，調(diào)制器必須具有強(qiáng)大消光比；必須低功耗；必須工作在寬的光譜；體積一定要小。

　　Kotura 已開發(fā)出的電吸收(EA) 調(diào)制器僅為傳統(tǒng)的馬赫—曾德爾(Mach-Zehnder) 干涉儀(MZI) 式調(diào)制器的1/25( 下面有更詳盡介紹)。EA 調(diào)制器僅長55 微米；而MZI 式調(diào)制器的長度為毫米級。這種小尺寸減小了驅(qū)動電容( 小于25 fF)、降低了功耗。另外，驅(qū)動器可由純CMOS實(shí)現(xiàn)，而這種調(diào)制器可工作在40GHz及更高。波分多路復(fù)用器：在四個(gè)調(diào)制器將電信號轉(zhuǎn)換成光信號后，必須將它們組合成一個(gè)單一波導(dǎo)。Kotura使用一個(gè)損耗低，體積小的中階梯光柵來實(shí)現(xiàn)該功能。雖然眼下只需四個(gè)信道，相同的波分多路中階梯光柵可在未來很容易地合40 或更多條信道。在接收器側(cè)，一個(gè)多路分解器起著相反作用，它將一個(gè)光流分解為四個(gè)獨(dú)立波導(dǎo)。

圖1：波分復(fù)用解復(fù)用器的抽象視圖。在轉(zhuǎn)換成電信號前，中階梯光柵對帶不同波長光的許多平行信道的一條輸入信道進(jìn)行分離。

　　檢測器：四個(gè)集成鍺探測器將電信號轉(zhuǎn)換為光信號。與調(diào)制器一樣，檢測器也必須小巧、高速、高效。Kotura 的鍺探測器是完

全集成的，其工作速率遠(yuǎn)超100G 所要求的25GHz。

　　硅光子學(xué)大熱。這是前所未有地第一次將全部這些功能都集成到一個(gè)芯片上。因硅集成的實(shí)現(xiàn)，從而不再需要由數(shù)百個(gè)分立器件組裝的昂貴組件。 Kotura 的光學(xué)引擎借力低成本激光器、電子包裝和波分復(fù)用技術(shù)，為多種數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供了一種創(chuàng)新方案。未來，硅光子學(xué)將不僅使能100G 網(wǎng)絡(luò)的普及，也將支持向400G和1,000G 互連的升級。

　　附錄：光子調(diào)制器

圖2：典型的馬赫—曾德爾干涉儀調(diào)制器內(nèi)部信號傳輸示意圖。

　　在典型的馬赫—曾德爾干涉儀(MZI) 調(diào)制器內(nèi)，輸入波導(dǎo)被分成兩路。在不加電壓時(shí)，光又被耦合在一起形成輸出波導(dǎo)，并生成一個(gè)“開”信號。當(dāng)施加合適的Vπ 電壓時(shí)，該電壓就改變了波導(dǎo)折射率，使得上方路徑的光產(chǎn)生半個(gè)波長( 或180° ) 的延遲。在這種情況下，這兩個(gè)路徑光的相位失錯(cuò)、互相抵消，從而生成“關(guān)”信號。

　　針對需要小尺寸、低功耗的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用，Kotura 開發(fā)出電吸收(EA) 調(diào)制器。這種微小的調(diào)制器是由鍺建構(gòu)的PIN 構(gòu)造，在硅波導(dǎo)路徑上摻雜了少量的硅。給該器件通電，將使其從光子吸收器變身為透明波導(dǎo)。