IBM 研制出硅晶片尺寸级的电光调变器

    前言：以往Mach-Zehnder电光调变器约1公分大小，而IBM实验室透过「纳米光学波导结构」将其缩至100微米大小，大幅缩小后的Mach-Zehnder电光调变器，将可放入硅芯片内，成为硅芯片内的高速传输通道。

　　IBM正式宣布，其位在纽约的华生实验室，已成功研发出如硅芯片般微小的电光调变器(Electro-Optical Modulator)，该调变器大小仅100微米，传输率却达10Gbps，传输效能一点都不逊于今日一般以单独、离散方式产制的电光调变器。

　　事实上有多种方式，可研制电光调变器，例如用环形共振方式也可以做出电光调变器，不过环形共振法不容易制造，所以IBM用的是Mach-Zehnder法，Mach-Zehnder法运用干涉计方式来实现电光调变器。

　　一般而言用Mach-Zehnder法制成的电光调变器其尺寸约1公分左右，而此次IBM研发成功的Mach-Zehnder调变器却只有100微米，比过去小上1,000倍。但是与环形电光调变器相比，IBM新研发成功的Mach-Zehnder仍比其大5倍，IBM期望下一步能做出与环形电光调变器大小相仿的Mach-Zehnder电光调变器。

　　Mach-Zehnder电光调变器在尺寸上不如环形电光调变器，但却比环形容易生产制造，除此之外Mach-Zehnder型也有其它优点胜过环形，例如较不受温度环境所影响，以及尺寸改变时也较少受影响，这些特性有助于日后设计出更微缩型的Mach-Zehnder电光调变器，同时也更适合运用于硅芯片内，因为硅芯片运作时温度容易波动、变化。

　　IBM除了将调变器尺寸缩小1,000倍外，也期望减少调变器的功耗用电，现阶段研发成的Mach-Zehnder电光调变器约要耗数毫安的电能，下一步希望能做到仅耗用数微安培的电力。

　　要将Mach-Zehnder电光调变器从1公分缩小至100微米，主要难度在于：难以有效控制入射(光)载波的折射率，关于此IBM是采行了极微缩的纳米光学波导结构(nanophotonic waveguide structure)来解决，以改善控制的有效性，进而使调变器缩小至100微米。

　　成功研发出微米尺寸等级的电光调变器之后，IBM期望将此种调变器运用于硅芯片内，用调变器的光传输来取代现有硅芯片内的线路传输，用光线传输取代电线传输，用无线传输取代有线传输，如此传输率将比过往快100倍，同时功耗用电能可精省10倍。另外，IBM也尝试各种新结构作法，以便让电光调变器、光传输网络等更容易与标准CMOS工艺的硅芯片整合为一，以及让芯片设计者更容易进行整合设计。

　　IBM方面表示，现在芯片内的执行运算效能不断提升，但芯片内各电路间的通讯传输效能却没有相对应的高速提升，而光传输作法可以解决传输效能不足的问题。IBM认为未来一个硅芯片将会放入数百个电光调变器、光传输交换器，之后形成光学传输式的芯片内路由网络。

　　IBM甚至大胆地预估，运用此种芯片内的光传输技术，日后可以将超级计算机(Supercomputing)所用的数千颗处理器微缩到单一颗芯片内，同时使占地极广的超级计算机缩小到只有一部笔记本电脑的大小，并将此称为「Supercomputer-on-a-chip」，功耗方面更是从数百户家庭的用电缩小至一个灯泡的用电。

　　最后，此项研究成果也发表于第15期的Optics Express(光学技术领域的专业技术刊物)上，同时这项研究也有部分支持来自美国国防部先进研究计画机构(Defense Advanced Research Projects Agency；DARPA)中的防御科学办公室计画(Defense Sciences Office program)：「Slowing, Storing and Processing Light」。

　　传输介质的物理极限

　　不单是IBM积极发展芯片内的光学传输技术，Intel同样也有此项发展，不过IBM与Intel对此方面的发展都相当低调，过去Intel只在2006年6月左右发布有关芯片内光通讯的技术发展，当时Intel营运获利不理想，同时将XScale相关部门卖给Marvell，为了提振士气，所以才稍微透露这方面的发展。

　　事实上不仅芯片内有铜线传输频颈的问题，芯片外的传输线路一样有类似问题，SATA界面依据最初的设计有1X、2X、4X等技术演进历程，但此一设计公布后，关于此Intel即有工程师曾表示：从2X(3Gbps)迈向4X(6Gbps)，用铜线传输恐怕难以达成，可能要改采光纤线路才能实现。

　　如果芯片内的光传输技术确实成熟可行，再加上IBM于2007年5月发表的Airgap技术，则铜线与铜线间的气隙绝缘空间或许也能用来传递光信号，如此芯片内的每单位面积内的资料传输率将大幅提升。不过芯片内的电光调变器尚在发展阶段，初期会先在芯片内少量布建运用，尚未严峻到非挪借气隙绝缘位置来进行光信号传输。