帮助实现光电器件硅材料化的类晶体管调节器

　　最近，Intel公司的科学家们取得了一项重要的研究进展。他们采用硅制造工艺制作了一种新颖的、类似晶体管的快速光电调节器，该器件能够将数据解码成光束。采用标准硅工艺制作的该器件能够在PC、服务器和其它电子器件以及最终在计算机内部建立起低成本、宽波段的光纤通讯连接。Intel硅材料光电器件研究总监Mario Paniccia说：“我习惯于将这种需求称作‘光电器件硅材料化’，即采用标准CMOS达到目前光电子器件所具备的功能。”

　　Intel的研究人员在2月12日的Nature杂志上报告了他们的研究结果。首先，他们将通过硅晶体的一束光分成两半，然后分别通过带电荷的类晶体管器件。光通过类晶体管器件时会发生相互作用导致相位发生改变。因此，当它们重新汇合离开芯片时，取决于两束光之间相位移（相差）的不同，可以出现开关两种状态，其切换速度大于1GHz，比之前硅器件的速度快了50倍。光的开关状态可以转换成数据传输时所需的1和0两种状态。

　　“实际上，我们是用晶体管来控制光的相位，这是突破点。”Paniccia解释说，“我们已经制作了这样一个调节器。我将光通过波导传送到硅芯片并将其分成两束，然后使其通过可以改变相位的结构——相位移器。如果相位移器关闭，两束光线重新汇合后输出的是数字信号1，以上过程都是通过硅芯片完成的。如果我在类晶体管器件上加电压，将相位移器打开，光线通过它时就会产生相位移；如果我将两束光的相位差调到180度，当它们重新汇合时我就可以得到数字信号0。” 　

　Intel高级副总裁兼首席技术官Patrick Gelsinger说：“这是实现在计算机内部以光速传播数据的光学器件应用的重要一步，是能够引起半导体业界震动的一项突破，最终将会形成新的器件和应用领域。”

　　现在，商业化光电器件的制造通常都采用昂贵的特殊材料，需要复杂的制造过程，因此限制了其在一些专业化市场例如网络和电讯上的应用。“到目前为止，还没有实验证明硅器件可以达到大约20MHZ的传播速度。”Paniccia说，“你可以使用磷化铟、铌酸锂以及其它III-V族材料制作运行速度超过40GHz甚至100GHz的光电调节器，但是这些都是III-V族特殊材料。如果你想用硅材料制作光电器件，并获得所需功能，与目前2.5~4Gb/sec的运行速度以及10Gb/sec的发展趋势相比较，20MHZ真的做不了什么。我们取得的突破不只是开发了类晶体管相位移技术，而是开发了一种运行速度极快的新技术。我们的实验结果显示，目前这代产品的速度已经超过了10GHz，同时解码速度也达到了1Gb/sec。这是在速度和性能上的一次巨大飞跃。我们相信，通过该项技术的进一步微缩，将来速度还会变得更快。”

　　Paniccia指出，光电器件和硅材料的整合主要有两个问题：“其一，硅是间接能带间隙材料，不能发射激光。其二，速度太慢。我想我们已经基本克服了其中一个障碍。”他解释说，Intel使用了外部激光源，激光可以通过连接器导入和导出光纤。

　　信号接受要求硅器件中具有光子探测器，可以将光信号重新转换成电子信号。“最终，你需要采用我们称为被动对准的方法将这些器件组装在一起。现在，组装成本通常占总成本的50%~60%。”Paniccia说。“如果我们采用被动对准技术，我们可以将硅晶体作为主体，将其它元器件通过光刻和其它自对准技术整合在一起，减少器件的总成本。”

　　Paniccia指出，最后还要有智能系统。尽管整合并不简单，与CMOS兼容是光电器件长期发展的关键。“这就是为什么这种类晶体管器件非常有用的原因。将来总有一天，你能将所有这些电子器件都完全整合在同一片硅材料中。”