美科学家研制出硅锗光调制器 有望加速光互联速度

　　光比电能更快地传输数据，但使用光在硅芯片中传输数据过于昂贵和复杂。现在，美国斯坦福大学的工程师已经基本上解决了上述问题。  

　　他们发明了一个可以很容易就集成在芯片内的关键组件，能把激光束分解成每秒数千兆的数据（0或1）。这使得芯片能以远比现在快得多的速率传输数据。

　　“大多数高性能光电产品（连接光设备和电子设备的产品）都是通过适度添加其它材料而制成的，而把这些材料与硅合成非常的困难。” W. M. Keck基金会的电子工程学教授大卫. A. B.米勒说“终你将期望能使用一个平台来制造一切东西，而且这个平台是基于硅来制造的。”

　　如今这个单一平台快要实现了。米勒和哈里斯等研究人员在10月27日出版的《自然》杂志上提出的新发现也许能够帮助制成一种由硅和锗生成的微小固态调制器。因为硅和锗是在半导体工业中经常使用的元素，这种调制器可以廉价而方便地嵌入到芯片中。

　　这样的调制器可以通过选择性吸收光（代表0）或允许其通过（代表1）来把光束分解成数据流。这至少铺平了在芯片之间使用光互联的道路。至今为止，电联接仍工作得很好，但激增的数据速率迫使工程师们去寻找替代的办法——如使用光来扮演主要角色。

　　米勒和哈里斯预计这种百万分之一米高，百万分之一米长的调制器可以达到大于100百万次每秒的速率，这比今天计算机中使用的硬件要快50倍，并且与构想中的光通讯所能达到的速率一样快。

　　打破传统思维

　　一位研究人员说，为制成这种调制器，米勒和哈里斯的研究小组打破了物理学家们所固有的传统思维定势。

　　假如了解原子中的电子如何吸收（或不吸收）进入的光线，就可以理解为什么人们认为基于锗的调制器是不可能的，以及米勒和哈里斯如何实现了一项令他们自己都觉得十分惊讶的成功。

　　电子只能在原子周围特定的轨道上运行，每个轨道都与一定的能量等级相联系。当带有适量能量（或适量波长）的光线射入时。电子吸收了光线，使用其能量来跃迁到临近的轨道上。对原子使用强大的电场可以改变电子所能吸收的光线波长。这一现象已经被人类所知超过一个世纪，被称为斯塔克效应。

　　斯塔克效应使得材料在工程师开启或关闭一个电场时，像百叶窗那样可以屏蔽特定波长的光线，吸收这种光线或是那种光线。要在原子中产生斯塔克效应，所需的电压非常之高以致无法在芯片中采用。但在一些细薄的材料中，可以产生一种强烈而敏感的斯塔克效应，被称为量子限制斯塔克效应，这发生于可以接受的电压下。很多今日的高端电讯设备使用能产生这种效应的薄型材料来在光纤中传输数据。

    硅的奇迹

　　关键在于如何使这种能产生斯塔克效应的材料融合进芯片的制造中。硅和锗都属于电子不充分符合斯塔克效应的一族元素。米勒，哈里斯和他们的小组发现在锗中的这种不符合斯塔克效应的现象是一种假象。事实上，在锗中不吻合斯塔克效应的能量层次被更强力符合的能量层所遮掩了。研究人员开发并测试了一个硅－锗混合件来检验他们是否真能在锗中利用这种斯塔克效应。

　　他们发现当锗层恰当地与硅合成一种晶体时，它们的电子不再从有用的层次上“泄漏”到无用的层上，斯塔克效应事实上在锗中也能成立。 

　　哈里斯和米勒没有预想到这种效应是如此明显。“令人吃惊的是这种效应事实上可以运用在任何现有的调制器上——而且工作得比大多数要好”哈里斯说。换句话说，可以使用与电脑芯片相匹配的调制器，而不会影响到性能。

　　哈里斯和米勒的研究小组包括几名学生和顾问——电子工程学教授Theodore I. Kamins。学生有Kuo, Yongkyu Lee, Yangsi Ge, Shen Ren and Jonathan E. Roth。研究是由英特尔公司和美国国防部研究工程处赞助支持的。

　　这一小组的下一个关键是展示他们可以制造出标准通讯波长所使用的调制器。他们确信他们可以成功，而且他们的发现可以帮助开创一个计算和通讯的“新时代”。