當我們淘汰掉可靠且純手工裝配起來的含數百個光學零件的組件，而轉向硅光子學之際，我們將進入一個美好新世界。有些光學功能可容易地用硅實現，而有些并不容易實現。我們不能，也不應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《硅光子學熱》的文章。讀了這篇文章后，使我更深入地了解了將交換網絡從10G提升100G，并最終達到1,000G所面臨的硅光子學技術挑戰。當我們淘汰掉可靠且純手工裝配起來的含數百個光學零件的組件，而轉向硅光子學之際，我們將進入一個美好新世界。有些光學功能可容易地用硅實現，而有些并不容易實現。我們不能，也不應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引擎整合到硅平臺。

　　光學引擎處理多個高速電通道、將它們轉換為光信號、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至橫跨整個數據中心另一端的任何地點。在接收端，光學引擎將接收到的光流分離為不同信道、再變換回電信道。在數據中心，光學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器技術；光學引擎還用于連接服務器刀片和交換機的有源光纜。此外，用不了多久光學引擎將會內嵌入中夾板(mid-board) 以降低板對板應用的功耗并增加密度。但是，要在本來為實現電氣功能設計的CMOS 平臺上整合光學功能會遇到許多挑戰。讓我們看看各關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。

　　激光器為光學引擎提供光源，但一些數據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出片上功能。激光器是種尚沒實現單片集成的光學部件，但激光器和陣列的倒裝芯片綁定技術的最新發展，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上所需的任何鏡頭、隔離器和光束準直器。Kotura 的激光器設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用(WDM)的并行性，把4個波長的光組合在一條光纖上。當然，四條平行光纖信道也能工作，但這增加了網絡成本、也浪費了光纖帶寬。波分復用允許我們使用同一數據中心架構進行擴展，以在未來支持更多信道。

因為波分復用既需要特定波長激光器又需多路復用器，所以用硅光子學來實現并非易事。盡管如此，我們也不希望使用電信網絡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。

　　調制器和探測器

　　調制器：成本最低、最有效的方案是直接將電信道轉換成光信道。這意味著調制器必須工作在最高的電氣數據速率，以便才能完成轉換。100G 網絡物理上是由四條25G 電信道( 全部網絡器件都將其視為100G 信道) 實現的，所以調制器起碼要不低于25G。還有其它方面的限制：驅動電壓必須兼容CMOS；在25G，調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 已開發出的電吸收(EA) 調制器僅為傳統的馬赫—曾德爾(Mach-Zehnder) 干涉儀(MZI) 式調制器的1/25( 下面有更詳盡介紹)。EA 調制器僅長55 微米；而MZI 式調制器的長度為毫米級。這種小尺寸減小了驅動電容( 小于25 fF)、降低了功耗。另外，驅動器可由純CMOS實現，而這種調制器可工作在40GHz及更高。波分多路復用器：在四個調制器將電信號轉換成光信號后，必須將它們組合成一個單一波導。Kotura使用一個損耗低，體積小的中階梯光柵來實現該功能。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，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。

圖1：波分復用解復用器的抽象視圖。在轉換成電信號前，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行分離。

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

全集成的，其工作速率遠超100G 所要求的25GHz。

　　硅光子學大熱。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，從而不再需要由數百個分立器件組裝的昂貴組件。 Kotura 的光學引擎借力低成本激光器、電子包裝和波分復用技術，為多種數據中心網絡應用提供了一種創新方案。未來，硅光子學將不僅使能100G 網絡的普及，也將支持向400G和1,000G 互連的升級。

　　附錄：光子調制器

圖2：典型的馬赫—曾德爾干涉儀調制器內部信號傳輸示意圖。

　　在典型的馬赫—曾德爾干涉儀(MZI) 調制器內，輸入波導被分成兩路。在不加電壓時，光又被耦合在一起形成輸出波導，并生成一個“開”信號。當施加合適的Vπ 電壓時，該電壓就改變了波導折射率，使得上方路徑的光產生半個波長( 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”信號。

　　針對需要小尺寸、低功耗的數據中心應用，Kotura 開發出電吸收(EA) 調制器。這種微小的調制器是由鍺建構的PIN 構造，在硅波導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。