英 特 爾 公 司 今 日 發 表 一 項 技 術 突 破 ， 運 用 標 準 矽 元 件 製 程 開 發 全 球 第 一 套 能 驅 動 連 續 光 波 的 矽 元 件 雷 射 技 術(continuous wave silicon laser, CW laser)。 這 項 技 術 將 能 協 助 業 界 將 低 成 本 、 高 品 質 的 雷 射 以 及 光 元 件 帶 入 主 流 的 運 算 、 通 訊 、 以 及 醫 療 應 用 領 域 。
今 日 發 行 的 Nature* 期 刊 報 導 ， 英 特 爾 的 研 究 人 員 發 明 一 種 方 法 ， 利 用 所 謂 的 拉 曼 效 應(Raman effect)與 矽 晶 結 構 來 放 大 通 過 矽 元 件 的 雷 射 光 。 將 外 部 光 源 導 入 實 驗 的 晶 片 後 ， 產 生 連 續 完 整 的 雷 射 光 束 。 儘 管 離 商 業 化 產 品 階 段 還 有 相 當 長 的 路 要 走 ， 但 能 運 用 標 準 矽 元 件 來 產 生 雷 射 光 ， 意 謂 著 業 界 能 製 造 出 低 成 本 的 光 學 元 件 ， 以 光 速 在 電 腦 內 外 部 傳 遞 資 料 – 針 對 高 速 運 算 創 造 出 新 一 波 的 新 應 用 。
英 特 爾 光 技 術 實 驗 室 總 監(Intel's Photonics Technology Lab.)Mario Paniccia 博 士 表 示 ： 「 重 要 的 是 ， 我 們 首 度 展 示 利 用 標 準 矽 元 件 製 造 出 能 夠 放 大 雷 射 光 的 裝 置 。 高 品 質 光 元 件 面 臨 到 的 限 制 就 是 其 製 造 、 組 裝 、 以 及 封 裝 的 成 本 過 於 昂 貴 。 這 項 研 究 是 一 項 重 大 的 里 程 碑 ， 讓 業 界 將 能 針 對 廣 大 的 主 流 市 場 提 供 低 成 本 、 高 頻 寬 的 光 矽 元 件 。 」
現 今 每 部 電 腦 都 搭 載 一 顆 電 源 供 應 器 來 驅 動 晶 片 、 硬 碟 機 、 以 及 週 邊 裝 置 。 未 來 ， 個 人 電 腦 可 能 搭 載 小 型 雷 射 、 放 大 器 、 以 及 光 連 結 裝 置 ， 將 數 以 兆 位 元(terabyte)計 的 資 料 在 電 腦 與 網 路 之 間 傳 遞 。 此 外 ， 許 多 特 定 波 長 的 雷 射 光 源 適 合 應 用 在 人 體 組 織 等 醫 療 用 途 上 。 例 如 ， 某 種 雷 射 波 長 適 合 治 療 牙 齦 問 題 ， 另 一 種 波 長 的 雷 射 則 適 合 用 在 鑽 洞 處 理 蛀 牙 等 問 題 上 。 然 而 現 今 這 類 雷 射 造 價 高 達 上 萬 美 元 ， 導 致 應 用 的 範 疇 受 到 限 制 。 英 特 爾 的 突 破 性 技 術 將 能 促 使 業 界 開 發 低 價 位 的 醫 療 雷 射 器 材 ， 以 降 低 牙 醫 醫 療 的 成 本 ， 並 減 輕 病 人 的 痛 苦 。
技 術 細 節
建 構 一 個 拉 曼 雷 射 矽 元 件 的 第 一 步 就 是 蝕 刻 出 一 個 波 導 (waveguide) – 在 晶 片 中 傳 遞 光 線 的 管 道 。 紅 外 線 光 源 可 穿 透 矽 元 件 ， 因 此 當 光 進 入 波 導 時 ， 研 究 人 員 可 在 晶 片 內 對 光 進 行 控 制 及 傳 導 。 和 雷 射 首 度 在 1960 年 代 發 明 時 一 樣 ， 英 特 爾 研 究 人 員 運 用 一 個 外 部 光 源 將 光 線 導 入 晶 片 。 當 導 入 光 線 後 ， 矽 晶 片 內 的 自 然 原 子 振 動(natural atomic vibrations)可 在 晶 片 內 放 大 光(lignt)。 這 種 放 大 作 用 – 拉 曼 效 應 –在 矽 晶 片 內 的 強 度 比 在 玻 璃 光 纖 內 高 出 1 萬 倍 以 上 。 現 今 電 信 產 業 所 使 用 的 拉 曼 雷 射 與 放 大 器 運 用 數 英 哩 的 光 纖 來 放 大 雷 射 光 。 運 用 矽 元 件 技 術 ， 英 特 爾 研 究 人 員 在 數 公 分 的 矽 晶 片 中 就 製 造 出 功 率 放 大 與 雷 射 光 的 效 果 。
雷 射 泛 指 任 何 能 發 射 高 強 度 、 高 同 調 性 的 光 束(所 有 光 子 具 有 相 同 的 波 長 、 相 位 、 以 及 方 向)。 透 過 在 晶 片 表 面 被 覆 上 一 層 反 射 性 的 薄 膜 ， 類 似 高 品 質 太 陽 眼 鏡 所 使 用 的 被 覆 方 式 ， 研 究 小 組 即 可 在 導 入 光 線 至 晶 片 時 ， 將 光 留 在 晶 片 中 並 在 內 部 來 回 振 盪 以 放 大 光 。 當 加 壓(pump)能 量 的 強 度 達 到 一 個 臨 界 值 時 ， 就 會 產 生 精 準 的 同 調 性 光 (如 ： 雷 射)， 發 射 至 晶 片 外 部 。
突 破
在 初 期 的 研 究 過 程 中 ， 當 光 線 加 壓 功 率 提 高 至 臨 界 值 時 ， 放 大 率 就 不 會 再 升 高 ， 最 終 甚 至 會 逐 漸 下 降 。 其 原 因 來 自 一 種 名 為 "Two-Photon Absorption" 的 物 理 現 象 ， 當 來 自 同 一 個 光 束 的 兩 個 光 子 同 時 撞 擊 到 一 個 原 子 時 ， 就 會 撞 出 一 個 電 子 。 這 些 電 子 在 波 導 上 逐 漸 累 積 ， 開 始 吸 收 光 線 ， 導 致 放 大 效 應 中 斷 並 逐 漸 下 滑 。
英 特 爾 將 突 破 性 解 決 方 案 整 合 至 半 導 體 結 構 中 ， 將 一 種 光 偵 測 元 件 PIN (P-type - Intrinsic - N-type)整 合 至 波 導 中 。 當 加 壓 在 PIN 元 件 時 ， 就 會 產 生 類 似 真 空 的 作 用 ， 消 除 光 路 中 的 多 餘 電 子 。PIN 元 件 結 合 拉 曼 效 應 就 能 產 生 連 續 的 雷 射 光 束 。
讓 矽 元 件 與 雷 射 光 一 同 運 作
英 特 爾 的 矽 光 研 究(silicon photonics research)工 作 ， 運 用 該 公 司 在 矽 元 件 累 積 的 技 術 ， 開 發 各 種 整 合 型 光 元 件 ， 能 整 合 至 英 特 爾 客 戶 的 各 種 產 品 中 。 矽 光 研 究 團 隊 開 發 出 許 多 突 破 科 技 ， 在 2004 年 推 出 第 一 套 矽 光 模 組 ， 能 在 1GHz 的 時 脈 速 度 下 進 行 資 料 編 碼 ， 比 先 前 20MHz 的 紀 錄 提 高 50 倍 。
英 特 爾 資 深 院 士 暨 通 訊 技 術 實 驗 室 總 監 Kevin Kahn 表 示 ： 「 英 特 爾 推 動 許 多 長 期 的 研 究 計 畫 ， 尋 找 各 種 新 科 技 ， 讓 矽 元 件 能 為 人 類 帶 來 更 美 好 的 生 活 。 例 如 ， 我 們 開 發 無 線 感 測 網 路 ， 能 用 來 偵 測 工 廠 中 甚 至 是 在 海 上 航 行 船 隻 裡 的 設 備 ， 以 防 範 可 能 發 生 的 故 障 ， 或 是 為 年 長 者 提 供 更 好 的 醫 療 服 務 。 在 矽 光 計 畫 中 ， 我 們 的 目 標 是 運 用 矽 元 件 製 造 技 術 ， 製 造 出 可 量 產 的 低 成 本 光 元 件 ， 讓 高 頻 寬 的 光 技 術 能 廣 泛 應 用 在 運 算 與 通 訊 產 業 。 」
此 項 研 究 的 報 告 已 刊 登 在 於 2005 年 2 月 17 日 發 行 的 433 期Nature 雜 誌 。 標 題 為 “連 續 光 波 的 拉 曼 矽 元 件 雷 射(A continuous wave Raman Silicon Laser)”， 作 者 為 英 特 爾 研 究 員Haisheng Rong、Richard Jones、Ansheng Liu、Oded Cohen、Dani Hak、Alexander Fang、 以 及Mario Paniccia。.
