用硅基激光器提高數(shù)據(jù)容量限制

事實(shí)證明，硅激光器雖然制造難度大，但由于其以可承受的價格提供高數(shù)據(jù)容量的潛力，因此成為研究的焦點(diǎn)。這種新的原型將“低成本、高容量和低能量”結(jié)合于一身?！斑@是一個偉大的方向，”電氣和計(jì)算機(jī)工程教授說。在加州大學(xué)圣巴巴拉分校（UCSB），鮑爾斯領(lǐng)導(dǎo)著世界上最重要的實(shí)驗(yàn)室之一，研發(fā)用于光學(xué)電路（或稱“光子學(xué)”）的激光和其他組件。這不是第一次突破光子學(xué)原有的底線。早在2006年，他的團(tuán)隊(duì)就推出了一種早期的硅激光器原型，當(dāng)時的新聞報(bào)道稱，這種激光器將導(dǎo)致廉價的“數(shù)據(jù)雪崩”普及家庭和廣泛的計(jì)算創(chuàng)新。隨著芯片制造商英特爾公司的商業(yè)化，這款具有里程碑意義的設(shè)備成為第一臺用于大規(guī)模產(chǎn)品生產(chǎn)的硅激光收發(fā)器，僅過去幾年里就有數(shù)以百萬計(jì)的購買量。他說，全球數(shù)據(jù)激增預(yù)計(jì)在短短幾年內(nèi)就會超過當(dāng)今光子學(xué)設(shè)備的容量。在目前達(dá)到100Gb·s–1級別的光子收發(fā)器的情況下，業(yè)界期望在未來兩年內(nèi)將其速度提高到400Gb·s–1，并且在之后兩年內(nèi)再提高兩倍或4倍。Bowers說，大約4年后，這種新型激光器的特性將變得至關(guān)重要。如今，數(shù)據(jù)中心（圖1）迅速增長，倉庫里堆滿了數(shù)千臺彼此連接的服務(wù)器，因特網(wǎng)和其他全球網(wǎng)絡(luò)主要驅(qū)動著對收發(fā)機(jī)加速的需求，他說。然而，預(yù)期的創(chuàng)新，如下一代（或稱5G）移動通信技術(shù)，將在數(shù)據(jù)容量層面實(shí)現(xiàn)飛躍，如新的激光演示那樣。他說：“隨著5G的廣泛部署，與天線的互聯(lián)將需要比現(xiàn)在更高的容量，這便是這項(xiàng)技術(shù)的機(jī)會?！?/p>

圖1在瑞士日內(nèi)瓦附近，為歐洲核研究組織龐大的粒子物理實(shí)驗(yàn)室（CERN）服務(wù)的數(shù)據(jù)中心的內(nèi)部情況。為了處理與世界各地的這些數(shù)據(jù)中心之間及數(shù)據(jù)中心內(nèi)激增的流量，光子學(xué)產(chǎn)業(yè)計(jì)劃每兩年將基于激光的收發(fā)器的數(shù)據(jù)容量翻一番或翻兩番。新的原型實(shí)現(xiàn)了4.1Tb·s–1的信息承載能力。該設(shè)備能同時傳輸64個不同的波長，且每個波長都有自己的信息流，這歸功于鎖模的特性，其特性使新型光源能夠支持“可能是目前世界上最高的數(shù)據(jù)傳輸能力，”。由于硅本身是弱光發(fā)射器，光子學(xué)制造商通常用高性能的光發(fā)射物質(zhì)（即Ⅲ~Ⅴ族化合物）在硅上制造激光，這是根據(jù)元素在元素周期表中的位置決定的。這種化合物的例子包括砷化鎵、砷化銦和砷化鋁鎵。將Ⅲ~Ⅴ激光器與硅緊密結(jié)合，使光子學(xué)制造商能夠利用硅基電子產(chǎn)品龐大的設(shè)計(jì)、制造和測試基礎(chǔ)設(shè)施，大規(guī)模生產(chǎn)高容量和低成本的光子芯片。為了在原子級（或稱“單片集成”）上實(shí)現(xiàn)激光材料和硅之間的安全和有效耦合，團(tuán)隊(duì)使用一種叫做分子束外延（MBE）的過程，在硅上直接制造了新的激光器原型。這涉及一種將不同分子或原子的多束光束引導(dǎo)到硅襯底上的裝置，硅襯底在不同的生長階段被加熱到500~580℃之間的特定溫度。通過利用MBE，研究人員一次能夠制造出一個原子層的原型設(shè)備。團(tuán)隊(duì)努力克服的問題之一是在單片集成過程中出現(xiàn)的位錯結(jié)構(gòu)缺陷。這些缺陷是硅和Ⅲ~Ⅴ族化合物晶體晶格與熱膨脹系數(shù)的不匹配所造成的，從而導(dǎo)致激光器的性能降低。在4.1Tb·s–1的激光器中大幅降低位錯濃度能夠使其在室溫下表現(xiàn)良好。但是，商業(yè)應(yīng)用中的光子學(xué)組件必須能夠耐受主要由電子電路產(chǎn)生的熱量，而“典型的商用光收發(fā)器最高可在80℃下正常工作，”。他樂觀地認(rèn)為，在減少位錯方面取得的進(jìn)一步進(jìn)展，將使新的激光器原型在商用產(chǎn)品產(chǎn)生這類需要之前即可達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)，而這大約還需要4年。實(shí)現(xiàn)可靠的80℃性能“將為成功的商業(yè)應(yīng)用掃清最后的障礙”。含有銦和砷原子的尖端納米晶體稱為量子點(diǎn)，其被用作器件的光子源（或增益介質(zhì)）。大約200萬個納米結(jié)構(gòu)（圖2）占據(jù)了9層Ⅲ~Ⅴ族化合物薄層中的一層，它們組成激光器并遍布整個設(shè)備。電流刺激點(diǎn)發(fā)出被結(jié)構(gòu)放大的光，并輸入波導(dǎo)中。當(dāng)今的商業(yè)收發(fā)器中的激光通常從所謂的量子阱中提取光，而非使用量子點(diǎn)，其中量子阱是用超薄的復(fù)合半導(dǎo)體制成的。但量子點(diǎn)受位錯的影響又遠(yuǎn)小于量子阱。再加上點(diǎn)陣鎖模和對反射的低敏感度，使得隔離器這一昂貴的元件變得不必要，這也都將幫助量子點(diǎn)取代商業(yè)傳輸中的量子阱，他說。

圖2砷化銦量子點(diǎn)的原子力顯微鏡圖像，如那些作為新型4.1Tb·s–1硅激光器的光子源（或增益介質(zhì)）的量子點(diǎn)。標(biāo)度用顏色表示（從頁面向上的一個軸上）點(diǎn)的不同部分有多高。這些殘端狀納米晶體是通過分子束外延制成的，在激光中被壓扁成圓盤。紐約市哥倫比亞大學(xué)光波研究實(shí)驗(yàn)室主任、電氣工程教授說，量子點(diǎn)激光器與硅集成，并發(fā)射像新的4.1Tb·s–1器件這樣豐富的波長，能夠產(chǎn)生更緊密的光子和電子電路。