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

起以搭建一個不純粹的硅光子方案。其實，我們需要將整個光學(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)入一個美好新世界。有些光學(xué)功能可容易地用硅實現(xiàn)，而有些并不容易實現(xiàn)。我們不能，也不應(yīng)該把一些舊器件同一個硅芯片混搭在一起以搭建一個不純粹的硅光子方案。其實，我們需要將整個光學(xué)引擎整合到硅平臺。

　　光學(xué)引擎處理多個高速電通道、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——從近到下一個機架遠(yuǎn)至橫跨整個數(shù)據(jù)中心另一端的任何地點。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，要在本來為實現(xiàn)電氣功能設(shè)計的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。

　　真正價值在于其能將多個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。

因為波分復(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 將每個增益芯片變成一款獨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單一波導(dǎo)。Kotura使用一個損耗低，體積小的中階梯光柵來實現(xiàn)該功能。雖然眼下只需四個信道，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)，一個多路分解器起著相反作用，它將一個光流分解為四個獨立波導(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芯片上。因硅集成的實現(xiàn)，從而不再需要由數(shù)百個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，光又被耦合在一起形成輸出波導(dǎo)，并生成一個“開”信號。當(dāng)施加合適的Vπ 電壓時，該電壓就改變了波導(dǎo)折射率，使得上方路徑的光產(chǎn)生半個波長( 或180° ) 的延遲。在這種情況下，這兩個路徑光的相位失錯、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)。