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标题: 第一台连续初装的硅激光器-光速的电脑就会这样诞生 [打印本页]

作者: cutegirl 时间: 2007-5-30 20:02
标题: 第一台连续初装的硅激光器-光速的电脑就会这样诞生
荣海生博士:硅光电子技术研究

　　2006年6月7日，2006英特尔中国研究论坛在北京国际会议中心隆重开幕，出席会议的有英特尔中国研究中心的高层人士，会议听众大部分为北京高校的学生。天极网Chinabyte作为此次会议的独家网络直播媒体，对会议全程进行了图文直播。

　　主持人:各位同学们都满载而归，我们非常高兴，大家一直寻找新的科技发展新的通信以及计算机技术，今天我们非常荣幸的请来英特尔公司光子技术实验室高级科学家荣海生博士，荣博士由于在硅光电子技术的突出贡献成为了2005年美国50大科学家奖获得者之一。下面有请荣海生博士做演讲。

　　荣海生:大家好!今天非常高兴，也非常激动能有这样一个机会和大家介绍一下英特尔的光子学技术的研究概况和我们近两年取得的一些科研方面的突破。

　　我报告的第一部分简单介绍一下我们为什么要在光子学领域做研究，和我们的一些研究项目。第二部分主要是侧重介绍一下我们最近的科研突破，就是第一台连续初装的硅激光器。最后给大家做一下总结。

　　可能很多人会问为什么英特尔会对光子学感兴趣。光子学是相对比较新的一个名词，和电子学相比是相对年轻的一个领域。光子学最恰当的比较就是电子学。电子学就是怎么样控制电子，光子学是怎么操纵和控制光子为我们服务。

　　我们今天早晨听到，戈登·摩尔讲到光子学不仅会影响电子工业，而且在其他的领域也有很深的影响，英特尔不仅是在电子学方面，更多的电子管做到了芯片上去，而且我们在其他领域也要应用摩尔定律。在这里我要给大家讲的是光纤通讯或者光子学怎么应用摩尔定律。

　　光子学的应用非常广泛，从非常简单的激光器，到航空技术、通信技术到处都是光子学应用的技术。到今天光子学的发展受到了一定的限制，它的造价还是相对比较高，那么怎么样才能把造价降下来，使光子学在更多领域得到发展。我们又要回到摩尔定律。摩尔定律的精神就是说要高度的集成化才能降低成本，并且增加器件的性能。

　　我这里要举一个光子学近几年非常成功的例子，就是光纤通讯领域，在长距离的通讯上面，几乎可以说没有怀疑，光纤通讯是唯一的选择，是最好的选择，我们打电话或者写email都是通过光纤解决的。现在回想当年出国留学给家里打电话是非常难的事情，首先很贵，第二很难打通，第三即使打通两个人也是抢着说。现在打电话到美国几乎和市话一样没有什么差别，这些都归功于光纤通讯的发展。

　　在短距离之间的通讯，比如说计算机之间的通讯或者服务器之间卡的通讯还是通过电缆。在距离几米到几百米范围内这两种技术，光纤和铜缆是同时并存的。我们知道铜线随着计算机速度不断增加，铜线的容量会受到限制，从技术角度来讲有一个极限，但是光没有这个问题，光通讯的问题在于造价太高。如果我们想把光的优势，一直推到短距离的范围内，唯一的办法就是要把价格降低，通过集成的办法。这里比较了一下光的优势和不足。

　　最明显的优势是它的宽带，容量非常宽。还有很多的例子，类似的还可以写的更长，但是我们现在主要的限制是成本很高，并且集成度非常低，和电子技术集成电路相比。并且有很多手工成份在里面，做光子学器件手工成份很高，这都是它的限制。会不会有一天我们会做成光电子学的集成器件，像微电子集成取得重大的成就。如果我们能做成这样的话，那将会是一个什么样的景象?我们用什么样的材料来实现这样的集成呢?假如可以在硅材料上做这件事情的话，那么可以想像我们已经有了很好的基础，就是微电子基础架构都在那里面。如果我们能解决一些技术问题，那么离生产的距离就很近了。

　　如果用硅材料做光学材料，它的问题和优势在什么地方。硅晶片是一片黑黑的东西，硅材料对可见光是不透明的，对紫外光也是不透明的，但是硅对红外是透明的，并且损耗很小。红外这个波段恰恰是通讯的波段，所以我们用硅材料做通讯是没有问题的。硅材料的好处是很透明，我们可以做成很小的器件，可以让光在硅很小的范围内可以拐弯走，成本很低，并且我们可以做各种各样的器件。不足之处呢?首先硅是不发光的，它的光电效应非常低，并且不能对光进行探测。现在我们实验室的侧重点就是要解决这些问题。其中一个是光源和如何把光在芯片上进行传导，另外我们如何进行光调制、如何进行光检测，以及如何利用硅的机械性能把它和光纤结合在一起。

　　最近两年我们取得了突破性的进展。一个是光调制器，另外一个就是激光器。如果我们能够证明这些领域都没有问题的话，我们就可以把分离的这些器件都集成到一起，中间的一个步骤是部分器件的集成，最终的目标是全部的集成。如果我们做成这样一个所谓的超级链的话，肯定会给我们的通讯带来革命性的突破性。

　　现在总结一下前面一部分我们的研究目标就是要实现硅化光子学，我们要把光纤通讯的优势带到计算机和服务器之间的通讯。

　　下面我集中介绍一下我们的激光进展。首先简单介绍一下激光的背景，这些当然都是非常基础的激光的一些特殊性和它的一些应用优势。第一台研制成功的激光器于1960年，它做的激光器是非常简单的结构，就是把“卤棒”放到环形闪光灯里面，闪光灯闪光的时候就发出一束激光来。当然现在我们知道激光的原理，激光的结构，非常的简单，一旦你知道了以后，大家谁都可以做。困难的是，因为这是第一个，谁也不知道怎么做出来激光器，在50年代中期原理大家都知道了，但是多年时间以后大家才作出了第一台激光器，第一台激光器出现以后，不到两年以后各种各样的激光器都出现了。我们最关注的是半导体激光器在1962年成功。

　　光的基本结构是这样的。激光的组成部分一个是增益介质，两个镜子构成了“谐振腔”，还有光的控制源。这是第一台激光器的简单结构，如果你一旦知道了这个原理谁都可以做。这是现在的半导体激光器，同样它的原理也是由这三部分组成。

　　激光的根本原理是基于“受激发射”，“受激发射”是爱因斯坦提出来的。电子和光和原子相互作用，有这样基本的三个过程，吸收过程、自发辐射过程还有受激发射的过程，受激发射和光是相关，有一个光子和另外两个光子打击出来，另外两个光子是一模一样的。我们做这个激光器不是基于这个过程，而是另外一个过程。我后面还要讲到。一旦有了光放大的作用，和电子学相比有了放大器，如果有正反馈的话形成振荡器，光就是光学的一个振荡器，我们加入“谐振腔”，“谐振腔”是一个正反电路，这样就形成了一个激光。

　　前面我提到半导体激光器，大家会问，硅就是很好的半导体，为什么硅不能发光?这里做了一个比较，合成半导体，他们的发光效率非常高，80%、90%的效率，但是硅和锗这些材料的发光效率非常非常低，因为这些是间接的半导体，半导体不仅要满足能量守恒的条件，还要满足动量守恒的条件，因为这些材料动量守恒的条件非常非常低，但是因为这些材料比合成半导体很便宜，所以自从半导体激光器发明以来，很多人一直尝试用硅做激光器，很多不同的测试，我这里是列了其中几项，到目前为止利用这种原理始终没有做出激光器。

　　我们用硅做激光器，很多人认为是死路一条，根本不可行。并且多年来各种各样的尝试都没有获得成功。在这里，我要提到拉曼效应，我们做激光器是基于拉曼效应而不是基于爱因斯坦的光受激发射效应，但是这两者有类似的地方。拉曼1928年发现了这个现象，在英国《自然》杂志上发表了一篇只有半页的文章，我觉得这个现象非常有用，我们还没有研究懂为什么有这样的现象，但是我们认为这个现象非常有用。1930年，他因为这个事情获得了诺贝尔奖。我们听起来好象是非常简单的事情。甚至在他做诺贝尔奖发言的时候，他还说我还是有很多事情没有懂。

　　利用这个原理做出来的激光器也是很早就有了，1962年就有了，是一个很偶然的现象发现的，但是这种激光器非常不流行，有很多限制。其中一个限制是说你需要很强的泵浦光源才能产生激光。只有在非常特殊的器件上，其他的激光器产生不了这种波长，人们才试图用拉曼效应来产生特殊的激光。随着光纤工业的发展，整个情况改变了。这里这个图是用的非常普遍的光纤放大器，为什么可以做成这样的呢?因为光可以集中到很小的光纤芯里面，它作用的机理很长，不需要很多的能量就可以产生有效的放大，也可以做成激光器。

　　（图）和刚才那个图进行比较，这里是拉曼效应的一个示意图，光如果和物质相互作用可以把电子打到一个虚拟的东西上面去，刚才我们讲的是一个实的东西，光跳下来可以有光散射效应，第一个图是光跳下来以后可以产生同样波长的光，如果跳到其他物体上产生不同颜色的波长的光。第三个图是拉曼效应，和受激发射是非常相似，我们就是利用这种现象来阐述拉曼发光。

　　恰巧在硅里面拉曼效应非常强，如果和玻璃相比，拉曼效应几乎是有一半倍那么强，既然在光纤可以做成激光器的话，那么在硅里面也可以。由于硅的折射率非常高，光可以限制在更小范围内，所以我们进行了一些估算认为这是有可能的。但是问题在于硅的光损耗是比较大的，所以我们必须要把损耗降下来，才能得到增益。

　　（图）这里形象的显示一下散射效应，光会产生自发的散射，如果这时候有另外一束光打进来，这个光可能会被放大，如果有了放大，就可以做成一个“谐振腔”，如果继续放大就可以持续进行。但是我们开始做实验的时候，当然这只是一个例子，开发的过程中遇到了很多的挑战，这是其中一个很大的抑制因素，我们看到这个图是增益和泵浦功率之间的关系，理论上如果泵浦功率增加增益很快会增加。我们做实验的时候发现这样一个现象，到了一个程度会饱和，根本达不到产生激光的增益水平。原因在什么地方呢?

　　借助这个图可以解释。正常情况光打到硅原子上，会不受阻碍地通过去，因为红外光的能量不足以激发硅的原子，充分的打到导体上。但是如果有两个光子同时作用到电子上的话，他们的能量会逐步变大，把一个电子导到上面去，光就会被吸收了，但是这个吸收还是很小的，微不足道的。但是问题在于，如果你想产生连续光，光不断的和原子产生作用，很多“自由电子会积累起来，这些自由电子会对光产生很强的吸收。一旦我们理解了这个现象以后，我们就做了这样一个特殊的波导，在波导周围我们加上了一个PN节，PN节里面我们加上了电场，电场可以有效的把自由电子清除掉，自由电子就会移动出光的区域。有了这样的结构就会产生增益超过吸收。

　　（图）这是一个实验的自然曲线，最低的线在没有反向电导的情况下，我们的增益总是在下面，这样就是一个有效的光放大器了，在很小的硅上面可以产生光放大。有了光放大以后，我们看到一个很弱的信号，下面的蓝线被放大了3db的增益，有了增益我们现在看谐振腔，我们把波导的断面镀上膜，有了增益，有了谐振腔，泵浦的结构就会产生激光。这是我们实验的装置(图)，这里就是我们的硅片，光纤输入到这个导里面，就产生了激光。

　　（图）这是激光的输出和泵浦值的关系，典型的激光的曲线，可以看到“预知”的光效应和不同的电流电压对激光输出的影响。

　　另外激光的一个特性就是单色性，通过光谱可以看到，很窄的图线通过光是可以调节的。刚才讲的都是我们已经发表的一些结果。现在给大家介绍的是最新的一些结果。(图)向实用化迈进了一步。现在看到的完全是集成在一个晶片上，这个谐振腔不是两个反射镜，光在这里面可以不断的循环，每次循环进行一次放大，这样成本可以很低，并且可以做到很小的尺寸。我们下面可以看到结果的比较，红线是刚才看到的一台激光器的结果，蓝线是环型激光器的结果。

　　还有一个激光的特性，就是看光的纯度，激光虽然是单色性的，但是不是所有激光都是单色的，有的激光非常纯，但是有的激光不纯，我们的硅激光器有非常好的光谱，大于75bd的标准，我讲这个非常好不知道到底有多好。讲一下现在比较流行的商用激光器，还有我们看到它的谱线有多宽，这是我们的激光器的图线，所以不仅是一个硅激光器，而且它的性能已经和现在流行的激光器相比了。

　　总结一下，我们成功的做出来了第一台硅激光器。不仅在光通信上会有应用，而且在其他领域也会有它的应用，在光通信上，我们说到，在一个单晶片上可以实现光的方面，也可以利用PN节进行光的调制，把电信号加到光上面。可以利用拉曼原理产生新的波长，在中途产生激光，为什么在那里我们有兴趣呢?我们可以看这个图，现在有形形色色的媒质，有不同性质的激光器，但是尽管这样，我们的光谱还没有覆盖住。在这个地方有很多光的应用，有医学方面的应用，有通讯方面的应用，运用我们的激光器可以把波长在这个波长范围内产生需要的激光。

　　做一下总结，我们英特尔的光子学实验室致力于规划光电子学，降低成本，提高效率。我们成功研制出了第一台连续出光的硅激光器，意义不仅仅在光通讯可以在其他领域都可以产生很深的影响。

　　最后我很快的给大家做一个示意，这里我们看到的是一个波导，泵浦光打进来，光被放大，同时产生了自由电子，自由电子会把光放大的湮灭掉，我们加上一些PN节以后，会把自由电子清除掉，一旦光放大以后，我们可以把波导断面镀膜，再进行泵浦的时候可以进行振荡，这样激光就形成了。我的报告里这里结束，谢谢大家!

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