自1958年集成电路问世之后，基于硅材料的CMOS集成电路已经在计算、通信、生物医疗、数字娱乐、智能家居等各行业发挥着不可或缺的作用，是现代社会的信息化“大脑”。而以光为信息载体的光纤通信网络也承载了全球通信数据容量的90%以上，成为信息社会的“主动脉”。如今，硅光子学开始走进光纤通信行业，正在影响光纤通信产业的走向，改变信息技术的未来。

　　硅光子技术，即利用CMOS微电子工艺实现光子器件的集成制备，该技术结合了CMOS技术的超大规模逻辑、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势。硅材料不仅是集成电路最普及的材料平台，还具备优异的光学性能。硅波导对波长1.1～1.6um的光近乎无损透明，可较为理想地兼容光通信现有技术与器件，为厘米至千公里级的光通信提供了高集成度的解决方案。业界认为硅光子是当今ASIC中最具发展前途的技术领域，是一种能够解决长技术演进与成本矛盾的颠覆性技术。

　　近十年来，基于硅光平台的光调制器、光探测器、光开关和异质激光器被相继被验证，部分器件性能甚至超越传统III-V和PLC平台，为大规模光子集成奠定了基础。随后，在业界多家微电子与光通信知名企业的共同推动下，硅基光互连、光传输、光交换的商用化器件与方案被相继推出。接下来OFweek光通信网编辑为您盘点硅光子技术的最新进展情况：

　　1、爱立信牵头项目研制出硅光子交换机

　　日前，由爱立信牵头的IRIS项目已研制出硅光子交换机，在一块芯片上容纳成千上万的电路。

　　第一块芯片现处于测试和参数化阶段，如取得成功，将是业界的重大突破，为在单个芯片上集成新一代光纤系统铺平道路。

　　硅光子技术中，硅作为超高速传送和交换数据的微型光学介质，可减少功耗和空间占用，并增加容量， 从而降低运营成本。

　　作为欧盟第七框架计划（FP7）研发领域的具体目标研究项目（STREP）之一，IRIS项目由爱立信与欧洲委员会联合创建，旨在利用硅光子技术，创建高容量和可重构WDM光交换机，实现在单个芯片上整体集成电路。

　　该类芯片可通过集成大量功能，如高速传输、交换、以及在同一芯片实现互联互通等，帮助网络运营商提升网络性能，增加节点容量，满足未来5G网络和云计算的需求。

　　硅光子技术已经应用于屡获殊荣的爱立信超大规模数据中心系统HDS 8000，借助光学互连，HDS 8000可为数据中心运营商带来许多裨益，例如降低总拥有成本。

　　爱立信意大利比萨公司的研究人员已经制作并提交了所有相关专利的申请。

　　该项目由爱立信（意大利）牵头，其他成员包括意法半导体（意大利）、 法国原子能署电子暨资讯技术实验室（法国）、CNIT（意大利）、特伦托大学（意大利）、瓦伦西亚理工大学（西班牙）、维也纳工业大学（奥地利）和电子通信研究院（韩国）。

　　2、IBM硅光子2秒传完整张蓝光

　　借助一种称之为“硅光子”的技术，来自IBM研究院的工程师们有望解决困扰计算机行业多年的数据传输瓶颈问题。

　　光纤具备超高速数据传输能力。这一材料能够将硅光子与传统芯片技术联系起来。在数据传输方面，光纤较铜缆而言无论在速度上还是距离上都具有极大优势，但由于成本高昂，只有在需要跨越不同建筑物、城市或大陆的场合才会采用。

　　通过一种称之为“多路复用”的技术，IBM的研究员演示了如何使芯片通过单根光纤收发4种不同颜色的红外光信号。

　　目前，单一链路的传输速率为每秒25Gb，4路一起最高为100Gbps。在这一速度下，一张蓝光碟片中容量为25GB的电影只需两秒即可传输完毕。

　　来自IBM研究院的一位高管表示，大数据和云端服务的日益普及对计算能力产生了极大的需求，而硅光子技术的大规模商用将会使得半导体行业能够满足这一需求。

　　IBM研究院硅光子部门经理威尔·格林（Will Green）表示，采用四路复用技术能够将数据中心的光纤成本降低50%。

　　3、美开发出迄今最小分光器

　　美国犹他大学的工程师在研制比现有机器快数百万倍的下一代计算机和移动设备方面迈进了一大步：他们开发出了迄今最小的超紧凑型分光器，可将光波划分为两个独立的信息通道。这个新装置使制造利用光而非电子来计算和传输数据的硅光子芯片更接近现实。

　　“光是你可以用来传递信息的最快的事物，”犹他大学电气和计算机工程副教授拉杰什·梅农说，“但这些信息必须被转换为电子才能进入你的笔记本电脑。而这种转换会让速度变慢。”

　　互联网依靠光子携带信息通过光纤网络，一旦一个数据流抵达家庭或办公室终端，光子必须先转换为电子，路由器或计算机才能够处理信息。如果数据流在计算机的处理器内保持光的形态，就可能消除这个瓶颈。梅农说：“我们的愿景是用光来完成这一切。计算速度最终可提高数百万倍。”

　　为此，研究人员在硅芯片上创建了一个更小型的、看起来有点像条形码的极化分光器，可将引导入射光拆分为二。之前的这种分光器大小超过了100×100微米，而梅农的团队采用了新算法来设计分光器，使其尺寸缩小到2.4×2.4微米，相当于人类发丝宽度的五十分之一，已经接近物理尺度的极限，这使得单一芯片上集成的分光器数量有望达到数百万个。

　　新型分光器的潜在优势并不止于提高计算机的处理速度。其设计使用的是现有的制造硅芯片的工艺，因此生产成本更低。此外，由于光子芯片“运送”的是光子而不是电子，内置这种技术的移动设备，如智能手机或者平板电脑，将比现在能耗更低、电池寿命更长、产生的热量更少。

　　硅光子学可显著提高机器的能力和速度，比如用于超级计算机、数据中心的服务器以及无人驾驶汽车和无人机专用的可检测碰撞的计算机，并最终“走向”家用电脑和移动设备，改善从游戏到视频流等应用程序。目前英特尔和IBM等公司均在着力研发首个硅光子学超级计算机，但其仍将使用保持部分电子学的混合处理器。梅农认为，他的分光器有望在三年内应用于这些计算机，而对连接速度要求更高的数据中心也可能很快采用这项技术。

　　4、Intel富士通携手：硅光子服务器诞生

　　富士通通过与Intel的大力合作，已经成功打造并展示了全球第一台基于Intel OPCIe(光学PCI-E)的服务器，而其中的核心技术就是Intel苦心研发多年的硅光子(Silicon Photonics)。

　　富士通使用了两台标准的Primergy RX200服务器，各自增加一个Intel硅光子模块，以及一颗Intel专门设计的FPGA芯片。后者负责必要的信号调制工作，通过MXC连接器将PCI-E协议以光信号的形式传输到扩展盒中。

　　扩展盒里同样有硅光子模块、FPGA芯片负责接收工作，还有两个Xeon Phi协处理器和两块固态硬盘。

　　这种设计的美妙之处在于，协处理器和固态硬盘在RX200服务器看来就如同在内部主板上，而不是外接设备。考虑到光速高达30万千米每秒，而几米长数据线上的传输延迟也可以忽略不计(每米5纳秒)，这就带来了四个好处：

　　1、随意扩充服务器的存储容量。固态硬盘、机械硬盘随便选，唯一的闲置就是扩展盒的体积。

　　2、增强CPU计算能力。外部的Xeon Phi协处理器搭配内部的Xeon E5处理器，计算能力可以轻松剧增，而在标准1U机架内几乎不可能同时放入Xeon Phi。

　　3、改善散热。服务器内部散热压力大大减轻，可以降低运行温度，或者使用更高规格的硬件。

　　4、提升散热密度。也就是每立方米空间内所要排出的热量。

　　不过，Intel、富士通均未披露会何时将这种服务器投入商用。

　　Intel多年前就在硅光子技术上取得了重大突破，建立起全球首个集成激光器的端到端硅基光数据连接，证明未来计算机可以使用光信号替代电信号进行数据传输。

　　IBM之后很快也披露了自己的“CMOS集成硅纳米光子”技术，通过将电子、光学设备融合在同一块硅片上，实现了芯片间通信从电信号到光脉冲的进化，不过Intel质疑这种做法会存在效率问题，硅光子才是未来。

　　简单地说，Intel更像是在现有硅半导体技术的基础上增加光通信模块，IBM则力图一步到位直接整合CMOS、光子。

　　硅光子技术发展现状

　　虽然光子计算的研究沉寂了，但科研单位并未放弃将光线引入芯片世界的努力。很快人们发现用光通路取代电路来在硅芯片之间传输数据是很有潜力的应用方向：光信号在传输过程中很少衰减，几乎不产生热量，同时可以轻松获得恐怖的带宽；最重要的是在硅芯片上集成光学数据通道的难度不算太高，不像光子计算那样近乎幻想。于是从21世纪初开始，以Intel和IBM为首的企业与学术机构就开始重点发展硅芯片光学信号传输技术，期望有朝一日能用光通路取代芯片之间的数据电路。

　　以激光代替电路传递数据的技术对普通人来说并不陌生，音频设备常见的光纤数字接口就是一个典型例子。如今城市新建宽带网络已经普遍使用光纤取代了铜缆，大大提升了网络的接入带宽。光信号技术有很多优势，但传统光学数据设备的体积庞大，难以应用在芯片级的信号网络中。硅光学技术的目标就是在芯片上集成光电转换和传输模块，使芯片间光信号交换成为可能。使用该技术的芯片中，电流从计算核心流出，到转换模块通过光电效应转换为光信号发射到电路板上铺设的超细光纤，到另一块芯片后再转换为电信号。

　　把复杂的光电转换模块缩小到纳米尺寸，同时还要能用半导体工艺制造不是容易的事情。虽然实验室中早有成果，但成品的良率和成本一直难以令人满意。另一方面，2004年后串行数据电路技术飞速发展，PCIe、QPI、HyperTransport等总线技术提供的带宽达到很高的水平，也降低了业界对硅光学技术的潜在需求。

　　直到两年前，业界发现传统的铜电路已经接近物理瓶颈，继续提高带宽变得越来越困难。同时云计算产业却对芯片间数据交换能力提出了更高的要求：数据中心、超级计算机通常会安装数以千计的高性能处理器，可这些芯片的协同运算能力却受到芯片互联带宽的严重制约。例如一颗Xeon CPU从与自己直接连接的内存中读取数据的带宽高达每秒40G字节，但如果是从另一颗Xeon芯片控制的内存中读入资料，带宽就会下降一半甚至三分之二。单颗芯片的性能越强、互联的芯片数量越多，较低的互联带宽就越容易成为性能提升的障碍。铜电路不仅带宽提升困难，功耗和发热也不可小视，业界对硅光学技术的需求已经到了迫在眉睫的程度。

　　幸运的是，经过十余年的研究硅光子工艺终于到了大规模实用化的程度。Intel和IBM的相关技术现在离产业化只有一步之遥。硅光学技术不仅能大幅提高芯片互联带宽，还远比传统的铜电路节省能源和散热需求，对云计算产业意义重大。虽然在商业化初期使用该技术的芯片成本会很高昂，但习惯了售价数千乃至数万美元的处理器的客户并不会在意每块处理器几百美元的成本提升。芯片间信号通路改用光路后，大量芯片的联合计算性能会成倍增长，同时总体能耗明显下降，大大提高了服务器集群的效率。

　　未来前景

　　在Intel和IBM两大巨头的推动下，硅光学技术很快就会在数据中心、超级计算机领域普及。不过在消费级产业这项技术很难有用武之地：智能设备和PC本来就没那么多芯片，自然也用不上高大上的芯片间光信号传输。新技术将更多以间接的形式影响我们的生活：未来云计算平台的性能快速增长可以为普通用户提供更快更好的信息服务，背后的功臣之一就是硅光学技术。在半导体工艺达到物理极限，革命性的新计算机尚未出现之前，硅光学技术将负责填补空缺，尽可能延续摩尔定律。