计算机领域的光子革命
余金中 黄庆忠
在科学发展过程中，人们先研究光，然后才研究电。1947年晶体管的发明，引发了电子学和电子集成电路的快速发展。如今，用硅制作的电子集成电路、计算机已经进入千家万户。计算机的速率已经到达千亿次比特/秒，还能够进一步提高计算机的运行速度吗？人们将目光转向传输速度更快的“光”了。事实上，“电”能够完成的功能就不必采用“光”，而“电”难以完成的功能就需要采用“光”，这就是光子学出现的原因。
地球上硅的含量很多，仅次于氧，而且硅的提纯技术已经达到很高的水平。近年来，人们发现硅不但是很好的电学材料，还是很好的光学材料。用标准CMOS工艺制造的硅光子集成线路，与电子集成电路兼容，成本低、易制造、便于控制，优点是其它光子材料无法比拟的。将光引入到芯片与芯片，以及芯片内各部分之间的数据连接中，形成高速率、低损耗的光互连，这场发生在计算机领域的光子革命由此拉开了序幕。
不久前，英特尔公司成功研制出了世界上第一个集成了激光器的硅光子数据连接系统，它可以实现长距离、高速率的数据传输，传输速率高达500亿比特/秒。这项技术旨在把高带宽、低成本的光通信技术引入到各种计算机设备中，它预示着光子将在计算机领域取代电子成为实现数据连接的主要载体，是计算机发展史上一个重要里程碑。
近年来，硅光子器件接连取得重大突破，如混合型硅激光器、高速硅电光调制器以及硅基长波长光电探测器等。英特尔公司采用不同的硅光子器件组成一个完整的光收发模块，它包含了发射器芯片和接收器芯片。在发射器芯片上，由激光器产生连续激光，随后光进入光调制器，用电脉冲对光作数据编码，速率是125亿比特/秒，一共有4路，都集中到一条光路输出，总容量就达到500亿比特/秒；在接收器芯片上，先将接收到的4条光束分离，分别输入到光电探测器中复原为电信号。由于数据是在光路中传输，因此连接系统的传输带宽大，功耗也很低。
半个世纪以来信息技术的发展表明，用光子代替电子实现数据连接是不可阻挡的历史潮流。光纤逐步取代铜电缆，从骨干网到城域网，再到局域网，直至现在备受关注的接入网，呈现“光进铜退”的大趋势。在计算机技术迅猛发展的今天，光子攻占电子领地，不断向计算机的周围及其内部逼进，在机柜之间、电路板之间、芯片之间、甚至芯片内，传统的电互连正一步一步被光互连所取代。只不过，在芯片上传输光的并不是光纤，而是集成的硅基光波导。
用光子代替电子传输计算机数据，将彻底改变未来计算机系统的设计与构架方式。现在的计算机都是通过金属线互相连接，受制于带宽，金属线的长度十分有限。使用光传送数据，就能把分散在各个角落的组件连接起来，从而帮助数据中心提高性能和容量，节约空间与能源，构建更强大的超级计算机。
