当我们淘汰掉可靠且纯手工装配起来的含数百个光学零件的组件，而转向硅光子学之际，我们将进入一个美好新世界。有些光学功能可容易地用硅实现，而有些并不容易实现。我们不能，也不应该把一些旧器件同一个硅芯片混搭在一

起以搭建一个不纯粹的硅光子方案。其实，我们需要将整个光学引擎整合到硅平台。

　　最近，麦利在采访Andy　Bechtolsheim后写了一篇《硅光子学热》的文章。读了这篇文章后，使我更深入地了解了将交换网络从10G提升100G，并最终达到1,000G所面临的硅光子学技术挑战。当我们淘汰掉可靠且纯手工装配起来的含数百个光学零件的组件，而转向硅光子学之际，我们将进入一个美好新世界。有些光学功能可容易地用硅实现，而有些并不容易实现。我们不能，也不应该把一些旧器件同一个硅芯片混搭在一起以搭建一个不纯粹的硅光子方案。其实，我们需要将整个光学引擎整合到硅平台。

　　光学引擎处理多个高速电通道、将它们转换为光信号、将这些信道的信息组合在一起、并通过一条光纤将这些信息传送到——从近到下一个机架远至横跨整个数据中心另一端的任何地点。在接收端，光学引擎将接收到的光流分离为不同信道、再变换回电信道。在数据中心，光学引擎是用于连接集群交换机和路由器的一种功耗最低、体积最小的可插入收发器技术；光学引擎还用于连接服务器刀片和交换机的有源光缆。此外，用不了多久光学引擎将会内嵌入中夹板(mid-board) 以降低板对板应用的功耗并增加密度。但是，要在本来为实现电气功能设计的CMOS 平台上整合光学功能会遇到许多挑战。让我们看看各关键的光电功能及将其完全集成在一个CMOS 平台所面临的挑战。

　　激光器为光学引擎提供光源，但一些数据中心用激光器售价不菲。 Kotura 公司已使用低成本低速激光器开发出片上功能。激光器是种尚没实现单片集成的光学部件，但激光器和阵列的倒装芯片绑定技术的最新发展，已使其成为一种大批量、低成本工艺。片上功能去掉了激光器亚组件传统上所需的任何镜头、隔离器和光束准直器。Kotura 的激光器设计去掉了昂贵的密封包装。在自动组装平台上，只需几秒就可对激光器阵列进行整布并将其绑定到硅光子芯片上，而且还攻克了将低成本光源整合到芯片中这一最棘手的难题。

　　真正价值在于其能将多个波长的光组合成同一条物理信道的能力。对100G互连来说，我们使用这种称为波分复用(WDM)的并行性，把4个波长的光组合在一条光纤上。当然，四条平行光纤信道也能工作，但这增加了网络成本、也浪费了光纤带宽。波分复用允许我们使用同一数据中心架构进行扩展，以在未来支持更多信道。

因为波分复用既需要特定波长激光器又需多路复用器，所以用硅光子学来实现并非易事。尽管如此，我们也不希望使用电信网络中常用的昂贵的特定波长激光器。一个更好的方案是使用通用激光器，并通过在硅芯片上集成光栅反射镜将通用激光器转换成特定波长激光器。通过改变反射镜的位置，Kotura 将每个增益芯片变成一款独特的特定波长激光器。

　　调制器和探测器

　　调制器：成本最低、最有效的方案是直接将电信道转换成光信道。这意味着调制器必须工作在最高的电气数据速率，以便才能完成转换。100G 网络物理上是由四条25G 电信道( 全部网络器件都将其视为100G 信道) 实现的，所以调制器起码要不低于25G。还有其它方面的限制：驱动电压必须兼容CMOS；在25G，调制器必须具有强大消光比；必须低功耗；必须工作在宽的光谱；体积一定要小。

　　Kotura 已开发出的电吸收(EA) 调制器仅为传统的马赫—曾德尔(Mach-Zehnder) 干涉仪(MZI) 式调制器的1/25( 下面有更详尽介绍)。EA 调制器仅长55 微米；而MZI 式调制器的长度为毫米级。这种小尺寸减小了驱动电容( 小于25 fF)、降低了功耗。另外，驱动器可由纯CMOS实现，而这种调制器可工作在40GHz及更高。波分多路复用器：在四个调制器将电信号转换成光信号后，必须将它们组合成一个单一波导。Kotura使用一个损耗低，体积小的中阶梯光栅来实现该功能。虽然眼下只需四个信道，相同的波分多路中阶梯光栅可在未来很容易地合40 或更多条信道。在接收器侧，一个多路分解器起着相反作用，它将一个光流分解为四个独立波导。

图1：波分复用解复用器的抽象视图。在转换成电信号前，中阶梯光栅对带不同波长光的许多平行信道的一条输入信道进行分离。

　　检测器：四个集成锗探测器将电信号转换为光信号。与调制器一样，检测器也必须小巧、高速、高效。Kotura 的锗探测器是完

全集成的，其工作速率远超100G 所要求的25GHz。

　　硅光子学大热。这是前所未有地第一次将全部这些功能都集成到一个芯片上。因硅集成的实现，从而不再需要由数百个分立器件组装的昂贵组件。 Kotura 的光学引擎借力低成本激光器、电子包装和波分复用技术，为多种数据中心网络应用提供了一种创新方案。未来，硅光子学将不仅使能100G 网络的普及，也将支持向400G和1,000G 互连的升级。

　　附录：光子调制器

图2：典型的马赫—曾德尔干涉仪调制器内部信号传输示意图。

　　在典型的马赫—曾德尔干涉仪(MZI) 调制器内，输入波导被分成两路。在不加电压时，光又被耦合在一起形成输出波导，并生成一个“开”信号。当施加合适的Vπ 电压时，该电压就改变了波导折射率，使得上方路径的光产生半个波长( 或180° ) 的延迟。在这种情况下，这两个路径光的相位失错、互相抵消，从而生成“关”信号。

　　针对需要小尺寸、低功耗的数据中心应用，Kotura 开发出电吸收(EA) 调制器。这种微小的调制器是由锗建构的PIN 构造，在硅波导路径上掺杂了少量的硅。给该器件通电，将使其从光子吸收器变身为透明波导。