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INTEL 最新矽光電技術:矽基光電雪崩探測器

瀏覽:    發布時間:2015-02-09

Intel宣布了一項在矽光電技術上的研究成果——矽基光電雪崩探測器達到了有史以來的最高340GHz的“增益帶寬積”。它的意義從整體來看,主要是矽光電子器件性能首次超越同樣功能的傳統材料光電子器件;而如此好性能的“矽基”探測器也讓Intel實現芯片間、芯片內光信號互聯的未來目標更近了一大步。也是繼Intel在光調製部門采用矽材料得到重大突破後,在光探測部分的又一次重大突破。 

矽基雪崩光電探測器芯片(黃色圓環代表不同的測試探測器)

 

封裝後的矽基雪崩光電探測器(中間右上方處為矽芯片) 

 

第一次聽到矽基雪崩探測器,也許真的要崩潰了,你很難想象這和AG6亞遊用的Intel的CPU和造CPU的Intel有什麽關係。而AG6亞遊在Intel未來技術的很多報道中曾經談到過矽光電技術,這一次Intel宣布的技術成果突破便和這個有關。根據現在的情況來看,Intel的目標就是今後實現芯片間和芯片內光信號的連接,這樣可以讓帶寬輕鬆達到GB級別,從而配合未來PC的萬億次甚至十萬百萬億次的超快速計算。 

  

從上圖來看,無論是長達幾十公裏終端間的光纖通信,還是機房內各機架、服務器間的光纖通訊都已經使用到光纖通訊。而矽光電技術的最大宗旨和目標是做到至少芯片間的通訊,實現向現在AG6亞遊常見的普通半導體芯片一樣的大規模級別的生產,而這也是未來半導體業5-10年發展的重要方向之一。AG6亞遊記得,曾經在Intel研究日的成果展示上,有人概括一句話:“在矽光電子的PC上,AG6亞遊存儲一部高清電影,也許隻要1秒鍾。”這種快得可怕的帶寬非常令人向往?


 

AG6亞遊在來看看Intel矽光子技術,AG6亞遊這裏談到的矽光子技術隻要是指芯片上數據通信技術,而其實矽光電技術離AG6亞遊並不遙遠,數碼相機的CCD/CMOS感光元件,太陽能電池,這都是矽光電技術的應用。從上圖來看,與傳統光通信類似分以下幾個部分:光源、光波導、光調製、光探測、封裝以及最後的大批量生產。

如果大家關心Intel矽光子相關研究,應該對圖上標注的一些標誌性成果有印象,尤其是矽調製器在2007年7月的40Gb/s帶寬以及在2008年5月用8路矽調製器實現的200Gb/s的成果。在整個工作過程中,AG6亞遊看到光源產生的信號通過光波導傳輸到調製器讓它可以搭載有用信息,而接下來就是需要探測器來接收這樣的信息。那麽它就是今天要說的主角——矽基雪崩探測器。

正如傳統的光電通信一樣,光電探測器的基本原理沒有太大不同。而至於什麽是“雪崩”?AG6亞遊一步步來看。

前麵談到的是光電傳輸中光探測器工作原理的簡單示意,這在目前的光通信中已經廣泛應用,例如光纖到戶,服務器間的光纖連接,大型終端中繼連接等等,其中信號接收部分都需要雪崩光探測器。而大家可以理解的是,Intel要做的是將這一個過程做到微小的芯片中,而這次340GHz增益帶寬積的達成也來自芯片上的研究成果。

如上圖所示,就是Intel不同的矽光電雪崩探測器,前麵談到的吸收區采用了“鍺”,而倍增區使用了矽,從原理來看它為今後芯片級批量化生產打下了不錯的基礎。也許看過前麵的介紹,大家會想到倍增區激發出的10-100倍的電子是隨機產生事件會伴隨有噪聲,控製這個噪聲與材料本身特性相關,而根據Intel研究,矽是最好的材料。

 


 

另外,吸收區和倍增區是兩種完全不同材料在一起,鍺原子比矽原子晶格數大4%,應力會因此變大,當原子間應力無法被承受時會造成暗電流。這也是矽基雪崩探測器的研發難點。Intel已經做了很多工作來減小暗電流的產生。 

 

最後看的兩張圖是說明矽基雪崩探測器這次性能上取得突破的重大意義所在。從第一張圖可以看到青色區域的一些III-V族雪崩探測器的性能(是指以化學周期表中III-V族元素做倍增區的雪崩探測器),而上麵最高的是這次矽基雪崩探測器的性能。下麵的圖更是很好說明為什麽矽基雪崩探測器取得了如此好的性能。首先縱坐標是增益的倍數,橫坐標是信息帶寬,可以清楚看到在以往傳統的III-V族雪崩探測器上,在10GHz帶寬時增益可以達到10倍,這也是它的最高值,隨著帶寬增加,它的倍數會很低。而矽基雪崩探測器,在10GHz時有30倍以上增益,在40G仍有10倍增益,保證了在10-40G整個帶寬範圍內平均優秀的的成績。這也是增益帶寬積340GHz的由來!



 



 

 

首先來看光電探測器原理示意圖,AG6亞遊看到一個光子進入探測器,激發半導體部分產生一個電子空穴對。而“雪崩”光電探測器,是在原有的半導體中加入了“吸收層”(上圖橙色部分),在倍增區施加電場,通過吸收層一個光子激發的一個電子來到倍增區,經過係列電離化後產生10-100倍的電子。

 


 

 

從上麵所述可以知道,雪崩探測器由於其特別的結構可以讓它在光信號接收這一過程要麽縮短傳輸距離N倍,要麽節能N倍。

綜上所述,大家可以簡單理解矽基雪崩探測器的工作原理與意義,總結一下來有兩個方麵。第一,矽基的重要性。AG6亞遊看到現有的III-V族雪崩探測器是用於傳統的光通信領域的,這些產品當然已經被廣泛使用,但它不可能達到芯片級的批量生產(上億數量級),它們體積較大(用於服務器間,機架間連接)成本高昂(每個探測器就要200美元以上),而Intel需要的是今後可以用於矽芯片的光通信,所以這次采用矽材料的使用是為批量生產打下了很好的基礎。

 

  

其次,在性能上基於半導體矽材料的雪崩探測器性能超越傳統材料的雪崩探測器,即便是實驗樣品也要比現有的雪崩探測器小不少。在10-40Gb/s的帶寬內具有穩定的增益使增益帶寬積保證在300GHz以上,而傳統雪崩探測器則無法做到這點。

對於未來芯片來說,矽基雪崩探測器意義非常巨大。雪崩探測器與普通探測器相比,在信息量不變情況下,可以節能數十上百倍;同理如果同樣功耗下,可以增加傳輸距離數十上百倍,這是為芯片設計性能、功耗與距離三大要素增加了靈活的調整砝碼。

 

  

 

對於這一技術的發布,Intel展望了相關應用。例如現有的機器間的通信與互聯,量子密碼技術,光纖入戶,2D陣列探測器特殊波段光線的成像等等。但也許大家最為關心的還是這對Intel CPU、處理器或者更多芯片可以帶來什麽,何時才能看到產品,尤其是民用級別產品。

Intel表示,對於批量級生產目前還沒有具體明確日程。正如以前AG6亞遊知道矽調製器的突破一樣,探測器、封裝方麵仍有很多地方需要改進和突破。目前,光探測器的研究方向仍是進一步提高其速度。但AG6亞遊認為,在傳統半導體材料矽上實現了雪崩探測器是邁向大規模芯片級量產的第一步,也是最重要的一步(不可能指望III-V族雪崩探測器做芯片)。

綜合AG6亞遊在今年中Intel 研究日上了解的內容,在未來5年-10年間,如果不出意外Intel的矽光子技術至少會應用於芯片與芯片間的互聯。從現在產品性能來看,它已經超越了現有傳統光電通信的性能。而AG6亞遊知道,服務器,機架,終端間光纖通信數量相對芯片來說很少,設備的布置可以個體調校,而芯片生產則不允許這樣。所以,AG6亞遊也期待Intel矽光電技術在大批量“封裝”這一環取得突破,這個時間相信不會太久了。

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