Intel研發全球首款混合矽晶雷射元件

英特爾(Intel)與美國加州大學聖塔巴巴拉分校(University of California, Santa Barbara，UCSB)的研究人員，運用標準矽晶製程開發出全球首款混合矽晶雷射(Hybrid Silicon Laser)。該項技術研發號稱可協助業者排除製造低成本、高頻寬矽光(silicon photonics)元件的障礙，所開發出的產品並可應用於未來的電腦及資料中心。


研究人員利用磷化銦(Indium Phosphide)的光學特性以及矽晶的導光功能，整合成單一晶片。當加上電壓在磷化銦時，所產生的光線會射入矽晶片的波導(waveguide)產生連續性的雷射光束，進而驅動其他的矽光裝置。因為量產矽晶製造技術能大幅降低成本，使得矽晶雷射將能廣泛推動矽光在電腦內的用途。

英特爾光學技術實驗室(Intel’s Photonics Technology Lab)總監Mario Paniccia表示：「此項技術為未來的電腦帶來低成本，兆位元(terabit)等級的光學“資料通道”，協助打造出一個高效能運算應用的年代。雖然離商品化還有一段距離，但我們相信有數十種甚至數百種混合矽晶雷射將能結合其他矽光元件，整合成單一晶片。」
UCSB電子與電腦工程學系教授John Bowers則表示：「結合UCSB在磷化銦的專業研究，加上英特爾在矽光方面的實力，利用晶圓、部分晶圓(partial-wafer)或是晶粒級(die-level)的打線技術(bonding method)，我們展示了一個嶄新的雷射結構，這可能是大量整合矽平台光學的解決方案。這項成就代表了高度整合矽光晶片及低價量產的開始。」
 
Intel表示，矽元件除了被用來大量製造各種平價數位電子產品，還能用來導引、偵測、調節、甚至放大光束，但至今尚未能有效產生光束。反觀被廣泛應用在各種電信設備的磷化銦雷射，由於必須單獨組裝與對準(align)，此技術對於高產量、低成本的電腦產業而言實過於昂貴。

混合矽晶雷射運用一項新穎的設計，利用磷化銦材料來產生與放大光源，並運用矽晶波導來阻隔與控制雷射光。製造上的關鍵環結在於運用低溫氧分子電漿(oxygen plasma)──充斥電荷的氧分子──在兩種材料的表面上製造出一個極薄的氧分子層(厚度約為25個原子)。
在經過加熱與加壓處理後，氧分子層發揮了“矽接合劑(glass-glue)”的功能，能將兩種材料熔合在單晶片中。當加上電壓後，從磷化銦材料所產生的光線就會通過氧分子電漿的“矽接合”層，並傳至具備阻隔與控制雷射光功能的矽晶片波導元件內，最後產生一種混合矽晶雷射。波導的設計是決定混合矽晶雷射的效能與波長的關鍵。
 
今日所發佈的訊息延續了英特爾長期以來運用標準矽元件製程，將光元件矽晶化的研發計畫。該公司研究人員在2004年率先展示頻寬超過1GHz的矽光調節器，速度較之前展示矽調節器增加將近50倍。2005年，英特爾研究人員率先展示能用來放大光源的矽元件，根據“拉曼效應”運用外部光源產生連續光波，開發出單晶片型態的雷射元件。
Bowers教授研究磷化銦材料與雷射技術已有超過25年的經驗。他目前的研究著重於開發各種創新的光電元件，能提供160Gb/s的資料傳輸速度，以及能接合各種異質材料的技術，開發出具備更高效能的新裝置。