Intel革命性高速光電技術將改變資料傳遞方式

Intel宣布新一代的光電技術概念,整合了半導體與光電,以矽為基礎打造出新一代超高速的光學通訊元件,初步傳輸速度已高達到50Gb/s,而且考慮到下游生產的方便性與成本,不論接收器或發射器都做成單晶片設計,並有簡單的連接器設計,將是未來高速資料傳輸方式的選擇。

現代化的各種設備當中總是少不了電,而且有更多的產品還需要傳遞大量的資料。到目前為止傳遞資料最簡單的方式當然就是利用導電性佳的銅線為主,然而在高速的時脈、高速傳遞資料的需求之下,銅線的可用極限就快要到達了。以現今的數位資料傳輸速度,預估銅線的頻寬大概是10Gbps左右,要擁有更快的速度,其傳輸距離、耗用的能量都會讓成本大幅提升。想要取代銅線傳輸導線的地位,就目前的技術來看,以光電(Photonics)技術,即結合光學與電子技術,比較可能提供更高的傳輸能力。但是以既有的光電技術而言,最大的缺點就是成本過高,很難走進一般的應用之中。

為什麼需要更高速的傳輸速度呢?現在的數位資料量每天都在暴增中,姑且不論科學研究單位(如大強子對撞機,LHC)每年產生驚人的資料量外,一般使用者硬碟裡的資料增加也很快,一旦要備份大量資料時受到傳輸速度的限制,總是需要一等再等。就算是娛樂用途的數位電視,現在的1080p高畫質數位視訊在傳遞時,就至少需要3Gpbs的頻寬了,如果加上3D功能,即提升至120Hz更新率,大概要6Gbps,只要解析度再向上提升,連接線就是一大挑戰!


新技術主要是傳輸與接收二個單晶片設計

在新一代應用矽為基礎的光電技術當中,雷射和半導體這二項核心技術剛好都發明至今五十年了,以矽為基礎的半導體擁有大量生產、低成本與高整合性等特色。而應用雷射則能擁有較高的傳輸頻寬與較長的距離,並且不怕電氣雜訊的優勢。現在技術更加進步了,Intel在這幾年已經推出許多項和矽光電相關的技術革新,像是混合式矽雷射(Hybrid Silicon Laser)、支援40Gpbs的矽調變器(Silicon Modulator)到具有高頻寬接收能力的光電轉換器(Photodetector),當然還有導引光徑的其它技術,如導波管(Waveguide)、多工器(Multiplexer)/解多工器(Demultiplexer)與耦合器等等。現在則更進一步了,它將傳輸器與接收器都做成單一晶片的設計,只需要連接光纖就可以運作,初步的傳輸速度已經可達到50Gbps了。


傳輸器的內部架構


混合式雷射是主要關鍵技術之一

來看一下傳輸器晶片的內部設計,從結構圖中可以看到它大致上具有三大部分,分別是在磷化銦層製造出四個混合式雷射光源,經過個別的調變器後,再經過一個多工器組合一起,再來就可以用光纖連接器結合傳遞光訊號了。此部分最主要的關鍵技術就是在於混合雷射,這是利用在矽中加入磷化銦以發射出光子,並且在導波管中加入了蝕刻光欄後,就可以創造出不同波長的光線!在目前的成果當中,每一個混合式雷射都可以接受12.5Gbps的資料量,四組光訊號經過多工器後,就可以用單一條光纖傳輸50Gbps的資料了。


接收器的內部架構

接受器晶片的尺寸就比較小一點,當光纖連接器接上後,經過耦合連接(Coupler)進入解多工器,把進來的光訊號再解成四組,再經由光電轉換器(Photodetector)變成電子訊號,於是進來的50Gbps光訊號又變成四組12.5Gbps的電子訊號了。


單晶片的設計將能讓下游生產變得簡單

但是Intel並不認為有先進的光電技術就有用,更需要方便的下游生產方式,才能讓這種高速資料傳輸方式應用在一般產品上。因此在傳輸器與接收器部分都做成單晶片式的設計,晶片可以用直接用覆晶方式組合至電路板,需要搭配的元件也不多,像傳輸晶片只要加上驅動IC(Driver IC),光纖連接器部分則希望設計成方便插拔的設計,如此就方便生產與推廣了!


新技術具有快速提升速度的設計概念

新技術的設計也很方便未來提升傳輸速度,要提升速度有二個方式,首先最簡單的就是將每個通道的速度提升,從12.5Gpbs向上,例如提升至25Gpbs,就能擁有高達100Gbps的總傳輸速度了!另外一個方式就是把內部的混合雷射數量加多,像是從四組提升至八組,一樣也能提升總傳輸速度!二種方式組合以後,更高速的傳輸速度,像Tbps(Terabit)就可能出現!

至於應用上就有很多想像空間了,從多片多重處理器電路板的連接到個人資料共享、高速裝置連接…等等都有可能,倘若新的光電技術真能應用在這些領域中,未來的電腦與通訊將會有大變革!

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