硅光子，下一代的数据互联就靠它了

光电子技术简介

光电子通过光波导来传递光。其实早在上世纪70年代，集成光学的概念就已经被提出，即在同一芯片中同时集成光器件和电器件。2000年，Bookham公司首次实现了硅光子组件的商用，也即阵列波导光栅和收发器。2006年，Kotura公司实现了可变光学衰减器。目前的硅基光电子使用量子阱来实现光电子所需要的光源。具体来说，在硅衬底上生长两种不同III－V族材料的夹层就可以实现量子阱。在量子阱中，电子被捕获于垂直夹层表面，于是就产生了一个激光光源。相较于传统使用电信号的金属导线，使用光波导的光电子通信带宽更大且能效较高。带宽更大的原因是光作为电磁波的频率可达数百THz，使用该频率的载波可以轻易实现上百Gb／s的数据率。功耗小则是因为光波导相比铜导线的损耗较小，因此传输信号的能量可以较小。

目前的研究热点是使用量子点来代替量子阱，这样可以通过改变量子点的形状或大小来微调光源的性质，例如量子点发射光的频率。量子点可以将光源以较低成本集成到硅基材料上，降低激光功率阈值并改善长期可靠性。

在光电子和半导体技术间有不少重合的地方。光电子最重要的一些参数，例如特征线宽和边缘粗糙度，在硅电子中已经有很好的处理方法。此外，光电子的工艺设计套件（PDK）与传统半导体业很相像。光电子设计围绕的是新的器件，而设计者还是要做DRC，LVS，光刻模拟等等，这些都与CMOS设计流程很像。随着硅基光电子的兴起，硅基光电子器件的集成度和性能甚至可能会以类似摩尔定律的形式指数上升。

光电子技术在数据中心的应用

随着互联网的蓬勃发展，越来越多视频，图像（包括AR／VR）以及物联网传感器数据流在互联网及数据中心中汹涌流动。在90年代，人们就已经使用基于光纤的光基通信来实现互联网长距离通信。在今天，数据中心中服务器间的互联也在越来越多地使用光电子通信。数据中心需要多台计算机协同工作。每台计算机的性能越强，较低的互联带宽就越容易成为性能提升的障碍。我国研制的天河2超级计算机，已经连续五次获得世界计算机Top500的第一名，它的柜与柜所有的连接就都是通过光信号进行通信。传统的铜绞线传输不仅带宽提升困难，功耗和发热也不可小视，由此还会带来数据中心温度控制的附加成本。同时相对于电磁波易干扰易窃听的问题，光信号在安全性上得到了巨大提升。因此业界对硅基光电子技术寄予了厚望。