光电子的未来——探索硅激光技术
技术大讲堂
今年2月17日，Intel公司向人们展示了运用标准硅组件开发的全球第一套能驱动连续光波的激光技术（continuous wave silicon laser，CW laser）。“硅激光”顿时成为一种引领未来计算机相关产业达到高速低耗目标的热点技术，这项技术还将帮助生产厂商更好地控制成本，将高品质的激光以及光组件带入计算、通讯、以及医疗应用等领域。
到底什么是硅激光呢？简单来说，硅激光是Intel利用光来连接计算机、芯片，甚至芯片中的某一部分的新技术。硅激光技术与人们常用的激光技术有什么区别？它又是如何工作的？在了解其技术细节之前，让我们先来简单地谈谈传统激光技术。
核心：激光发生器
“LASER”这个词大家一定不陌生，它是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的首字母缩写，即受激辐射式光频放大器，而“LASER”也就是我们通常所说的激光。一台激光器是由工作物质、谐振腔和激励能源组成。（图1）所示的是一个红宝石激光器，谐振腔实际上是在激光器两端平行的鞍上两面反射率极高的镜子。一面对光几乎全反射，一面可以大部分反射，少量透射出去，使激光可以透过这面镜子射出。电或光激励能源不断地被“泵浦”进入谐振腔，光在其中被反射回工作物质，因受激辐射而使光波放大。放大后的光波继续来回反射，诱发新的受激辐射而不断地被再放大。这样在谐振腔中来回振荡，最终产生强烈的激光从那面可以透光的镜子发射出去。
激光技术在通信和计算机领域运用得最为广泛的地方是光纤通讯。激光产生后经过调制器调制，把数据放到激光上的一种过程，被调制后的激光则被送入光纤进行传播。如果想要在一条光纤上同时传播几路光信号，那么激光在送入光纤前还需要经过一个多路复用器，在那里不同波长的激光将被“捆绑”在一起，然后一同传输（图2）。
在接收端，工作正好相反。一个多路信号分离器把不同波长的光信号分离开来形成单独的数据流，随后经过一个光电探测器将光信号变为电信号。进而这些电信号被送往主设备的逻辑电路进行处理，跟从普通的铜缆传递过来的信号没有区别。
光纤通讯为我们解决了数据高速传输的问题，但是这个方案的代价非常昂贵。高品质光组件面临的问题就是其制造、组装以及封装的成本过于昂贵。鉴于这些问题，Intel公司希望用其它材料来取代这些昂贵的部件，例如硅。硅激光技术的诞生让人们首次运用标准硅组件制造出能够放大生成连续稳定激光的装置。
硅在这项技术里成为一种非常独特的材料，因为我们对硅的了解以及相关处理技术都已经成熟，而且硅在这项研究中还表现出了人们所需要的某些特性。例如，硅可以阻挡可见光的穿透，而红外波长的光则可以透射出去，因此硅有导光的作用。相比而言，按照规范标准大量的制造硅组件是非常便宜。硅主要的缺点就是无法发出激光，因此产生那些驱动光通讯的激光还是需要一些特殊材料，比如磷化铟和砷化镓。但无论怎样，硅是可以利用那些由成本较低的激光器发出的外部光源来产生连续完整激光束。这些激光束的特性与那些昂贵设备所产生的激光束特性没有区别，这是用硅作为材料来降低成本的方式之一。
硅激光关键性突破
Intel的硅激光技术是一套满足通讯和其它应用的完整综合解决方案。至今，Intel已经证明了用硅来制造可调滤光器、光电探测和光学封包等系列技术的可行性。
下面我们就来看看硅激光的技术细节：
拉曼效应（Raman effect）
上文我们提到激光是由光波受激辐射而放大产生的，那么又是什么引发受激辐射呢？受激辐射实际上是通过改变电子（形成电流的物质微粒）的能级产生的。当电子的能级发生改变就会释放出一个光子（形成光的物质微粒）。这些光子能够在很多种材料里受激，但并不包括硅，这是由硅自身的物理特性决定的。但是一个被称为拉曼效应的物理现象能够让光波在硅和其它材料中被放大，Intel的研究人员发明一种方法，利用拉曼效应与硅晶结构来放大通过硅组件的激光。将外部光源导入实验芯片后，产生连续完整的激光束，这项突破开创了用硅制造光学设备的可能性。
拉曼效应目前被广泛使用在放大器和激光束放入光纤中。当光束进入后，光子随着振荡的原子相互碰撞，通过拉曼效应，能量转移到一些波长较长的光子中。如果一束数据光波被置于适当的波长上，它将获得额外的光子，然后必须依靠光纤传播来获得足够的能量放大信号。通过不断的反射，重复发生拉曼效应便能够产生一条信号足够强烈的激光束。然而在常用的光纤激光器中（我们不可能让每个激光器都用红宝石或其它特别的材料作为工作物质，那样价格太贵），通过拉曼效应产生激光有一定的局限性，因为需要较长的光纤才能提供足够强度的放大。
晶体结构在受到光的照射后，硅原子非常容易振动。与玻璃相比，硅的拉曼效应要强10000倍，这使得拉曼激光更容易被放大，达到同样增益的硅芯片只需要几厘米。通过拉曼效应并将光源“泵浦”到芯片中，则可以用硅为材料来制造放大器和激光。
双光子吸收问题（Two-Photon Absorption）
构建一个拉曼激光硅组件的第一步就是蚀刻出一个波导(waveguide)——在芯片中传递光线的管道。这些可以通过使用标准的CMOS技术在硅晶圆上蚀刻一个“脊”或“沟”来实现。导入波导的光线可以被控制及传导，一些光线会因为被材料吸收、不完整的物理结构、粗糙的表面或其它光学现象而消失。Intel面临的挑战就是如何克服用硅做波导所引起的不利效应，让它不至于影响拉曼效应的放大作用。
在初期的研究过程中，Intel的研究员发现当光线“泵浦”功率提高至某个临界值时，放大率就不会再升高，最终会逐渐下降。其原因来自一种名为双光子吸收（Two-Photon Absorption）的物理现象。通常情况下，硅对红外光是透明的，是因为一个红外光的光子没有足够的能量激发一个电子，所以光子在硅波导中传播时不会被原子吸收。可是偶尔也会发生一个硅原子同时受到两个光子碰撞的情形，来自两个光子结合的能量足以让受到碰撞的硅原子释放一个电子。一般情况下这种情况很少发生，可“泵浦”能量越大，这种现象就比较容易发生了。
最终，这些被释放出的电子会随着晶体点阵重新结合起来，也不会引起什么问题。然而，在极高的能量密度环境中，由碰撞而产生电子速率要比这些电子重新结合的速率快得多，这些电子在波导中逐渐积累，形成电子云并开始吸收光线，导致放大效应中断并逐渐下滑。波导中的能量密度越高，损失就越大，直到拉曼效应的放大作用失效。
解决之道 光侦测组件PIN
Intel的突破点就是将由双光子吸收现象产生的自由电子减小到最少，这样就能产生连续放大的激光束了。Intel对波导的设计做了一些改变，将一个称之为PIN (P-type-Intrinsic-N-type)半导体组件整合到波导中。当给PIN组件施加电压时，就会产生类似真空管的作用，消除光路中的多余电子。在取得这项突破之前，因为双光子吸收问题使得利用硅组件产生连续激光束成为幻想，而PIN组件结合拉曼效应则真正地将这个幻想变为现实。
（图3）是一个PIN设备的示意图，从图3中我们可以看见，PIN组件在光导原有的硅层中间特定区域掺进了P和N两种杂质。现在这种掺入了杂质的硅组件就能够像我们平日常用的二极管和其它半导体设备一样产生导流的作用了。而且在制造这种设备的时候我们也可以运用我们所掌握的成熟技术，这也恰好能够达到我们研究硅激光的基本目标：制造低成本高性能的光学组件。
最后，Intel在PIN组件的两个末端分别镀了一层反射层，这也就构成了前面我们所提到的谐振腔。当给这个硅组件加上电压，并将激励能源“泵浦”入其中，按照传统激光器工作原理，我们就得到了稳定的不同波长的激光束。