《電子技術(shù)應(yīng)用》
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硅光子技術(shù)全面普及(中):器件小型化取得長(zhǎng)足進(jìn)步
摘要: 瞄準(zhǔn)芯片間光傳輸?shù)牟考囍埔惨呀?jīng)展開(kāi)。由日本內(nèi)閣府提供支援的研究開(kāi)發(fā)組織“光電子融合系統(tǒng)基礎(chǔ)技術(shù)開(kāi)發(fā)(PECST)”試制的光收發(fā)器IC注3)達(dá)到了目前世界最高的集成度和傳輸容量密度。PECST于2012年9月發(fā)布了可在1cm2的硅芯片上、集成526個(gè)數(shù)據(jù)傳輸速度為12.5Gbps的光收發(fā)器的技術(shù)注4),數(shù)據(jù)傳輸容量密度相當(dāng)于約6.6Tbit/秒/cm2。主要用于負(fù)責(zé)LSI間大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓廪D(zhuǎn)接板(圖4)。
Abstract:
Key words :

 

小型化也取得巨大進(jìn)展 

   瞄準(zhǔn)芯片間光傳輸的部件試制也已經(jīng)展開(kāi)。由日本內(nèi)閣府提供支援的研究開(kāi)發(fā)組織“光電子融合系統(tǒng)基礎(chǔ)技術(shù)開(kāi)發(fā)(PECST)”試制的光收發(fā)器IC注3)達(dá)到了目前世界最高的集成度和傳輸容量密度。PECST于2012年9月發(fā)布了可在1cm2的硅芯片上、集成526個(gè)數(shù)據(jù)傳輸速度為12.5Gbps的光收發(fā)器的技術(shù)注4),數(shù)據(jù)傳輸容量密度相當(dāng)于約6.6Tbit/秒/cm2。主要用于負(fù)責(zé)LSI間大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓廪D(zhuǎn)接板(圖4)。 

圖4:芯片間布線駛?cè)?ldquo;光的高速公路”
本圖為東京大學(xué)荒川研究室與PECST開(kāi)發(fā)的LSI間數(shù)據(jù)傳輸用光轉(zhuǎn)接板的概要。除了作為光源的激光元件外,都使用CMOS兼容技術(shù)集成到了SOI基板上。激光元件也可以利用普通的貼片機(jī)安裝到芯片上。(攝影:右為PECST)



   注3)PECST是以在2025年實(shí)現(xiàn)“片上數(shù)據(jù)中心”、即在硅芯片上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心功能為目標(biāo)成立的研究開(kāi)發(fā)組織。2010年3月開(kāi)始研究工作。 

   注4)該光收發(fā)器每組所占面積為0.19mm2。除激光元件外全部利用CMOS兼容技術(shù)實(shí)現(xiàn)。 
 

 

圖5:即將實(shí)現(xiàn)10Tbit/秒/cm2的傳輸容量密度
本圖為光傳輸用收發(fā)器的小型化以及伴隨小型化的集成度提高情況。通過(guò)小型化提高集成度的話,傳輸容量密度也會(huì)提高。目前的最高傳輸容量密度為PECST實(shí)現(xiàn)的6.6Tbit/秒/cm2。PECST預(yù)計(jì)2013年上半年將實(shí)現(xiàn)10Tbit/秒/cm2。

這次發(fā)布具有劃時(shí)代的意義,該技術(shù)解決了各元件的尺寸過(guò)大、難以實(shí)現(xiàn)短距離傳輸和高密度集成的原有課題。常有人把光傳輸比喻為“飛機(jī)”運(yùn)輸,而把電傳輸比喻為“鐵路”或“汽車(chē)”運(yùn)輸,如果是跨海的長(zhǎng)距離運(yùn)輸,使用飛機(jī)比較合適,但如果只是向幾公里遠(yuǎn)的相鄰城市運(yùn)輸貨物則不適合使用飛機(jī)。因?yàn)椴粌H有燃料的問(wèn)題,飛機(jī)起降所需的“機(jī)場(chǎng)”也太大。而光傳輸中相當(dāng)于“機(jī)場(chǎng)”的光收發(fā)器的尺寸原來(lái)就非常大,有數(shù)cm見(jiàn)方,不適合1cm距離的傳輸(圖5)。 

   從PECST的試制品上,能看到在面積1cm2的芯片上集成多個(gè)光收發(fā)器IC的可能性。光收發(fā)器IC和構(gòu)成元件的小型化幾乎直接關(guān)系到低耗電量化。因?yàn)樵娣e小的話,元件容量也小。通過(guò)推進(jìn)元件尺寸的小型化,一舉改善了光傳輸?shù)暮碾娏亢图啥冗@兩項(xiàng)課題。 

   開(kāi)發(fā)獨(dú)特的核心技術(shù)群 

   PECST的光收發(fā)器的實(shí)現(xiàn)主要依靠四項(xiàng)核心技術(shù)(圖6),分別為(1)作為光源的激光陣列元件、(2)連接光源與硅波導(dǎo)的光斑尺寸轉(zhuǎn)換器(SSC)、(3)Mach-Zehnder型光調(diào)制器*、(4)鍺光敏元件。 

圖6:實(shí)現(xiàn)6.6Tbit/秒/cm2傳輸容量密度的核心要素
本圖為東京大學(xué)荒川研究室與PECST實(shí)現(xiàn)6.6Tbit/秒/cm2傳輸容量密度的技術(shù)要點(diǎn)。激光元件方面,開(kāi)發(fā)出了大規(guī)模陣列化的技術(shù);大幅降低了光斑尺寸轉(zhuǎn)換器的損失;光調(diào)制器的尺寸縮小至原來(lái)的1/4;鍺光敏元件也實(shí)現(xiàn)了2倍以上的高速化。(攝影:PECST)



   *Mach-Zehnder(馬赫-曾德?tīng)枺┬凸庹{(diào)制器=光干涉儀的一種,一般是把同一光源的光分成兩束,對(duì)其中一束實(shí)施相位控制等處理后,再與另一束光耦合。 

   (1)激光陣列元件以約30μm的間距成功地配置了13通道的激光二極管(LD)。PECST稱(chēng)“目前已經(jīng)制作出104通道的元件”。 

   (2)SSC把以往的一條錐形波導(dǎo)改為三條波導(dǎo)構(gòu)成,從而大幅降低了光耦合損失。而且,在硅上安裝激光陣列元件時(shí)的位置對(duì)準(zhǔn)精度也大幅放寬,為0.9μm。 

   解決了調(diào)制器的兩個(gè)課題 

   對(duì)光收發(fā)器的小型化貢獻(xiàn)最大的是(3)光調(diào)制器的開(kāi)發(fā)。以前,Mach-Zehnder型光調(diào)制器為了補(bǔ)償調(diào)制效率低的問(wèn)題,需要較長(zhǎng)的路徑長(zhǎng)度。原來(lái)長(zhǎng)度為1cm以上,最近縮短到了1mm左右,而此次大幅縮短至250μm。這是通過(guò)將pin型二極管像梳子齒一樣垂直配置在硅波導(dǎo)上,把調(diào)制效率提高到原來(lái)的4倍實(shí)現(xiàn)的。 

   PECST開(kāi)發(fā)的光調(diào)制器通過(guò)改變硅波導(dǎo)和附近的載流子密度來(lái)改變折射率。此時(shí)的課題是如何兼顧波導(dǎo)中的光密封和在不妨礙光的范圍內(nèi)提高載流子密度的控制。此次的設(shè)計(jì)通過(guò)將載流子出入口設(shè)計(jì)成篦子齒那樣細(xì)密,不讓光從這里漏出,從而解決了這一個(gè)課題。 

   (4)鍺光敏元件通過(guò)由原來(lái)的pin型構(gòu)造改為元件容量小的MSM構(gòu)造*,實(shí)現(xiàn)了2倍以上的高速動(dòng)作。 

   *MSM(金屬-半導(dǎo)體-金屬)構(gòu)造是光電二極管(PD)的一種,半導(dǎo)體與兩枚金屬電極組合的構(gòu)造。 

   擴(kuò)大傳輸容量密度方面,PECST也有了頭緒。其主要研究人員——東京大學(xué)先端科學(xué)技術(shù)研究中心教授荒川泰彥2012年改進(jìn)了光調(diào)制器的電極設(shè)計(jì),將其所占面積進(jìn)一步縮小到了原來(lái)的1/5以下?;拇ń淌诒硎荆?ldquo;將其用于光收發(fā)器IC集成的話,預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)10Tbit/秒/cm2的目標(biāo)傳輸容量密度”。

要想進(jìn)一步改善PECST的成果,進(jìn)一步縮小光調(diào)制器的尺寸并實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)作至關(guān)重要。這方面的研究也取得了進(jìn)展(圖7)。例如,PECST的研究人員之一——橫濱國(guó)立大學(xué)工學(xué)研究院教授馬場(chǎng)俊彥的研發(fā)小組通過(guò)CMOS兼容技術(shù)開(kāi)發(fā)出了利用光子晶體(PhC)*技術(shù)實(shí)現(xiàn)10Gbit/秒動(dòng)作的Mach-Zehnder型光調(diào)制器。由此,將光調(diào)制器的長(zhǎng)度大幅縮短到了90μm。 

圖7:光調(diào)制器取得進(jìn)一步的進(jìn)步
本圖為日本的研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的新一代光調(diào)制器的概要。橫濱國(guó)立大學(xué)的馬場(chǎng)研究室利用光子晶體(PhC)將光速降至約1/10,由此在較短的元件長(zhǎng)度下確保了較長(zhǎng)的光的有效路徑長(zhǎng)度(a)。東京大學(xué)和田研究室通過(guò)組合使用鍺調(diào)制器和MEMS,利用板簧的應(yīng)力成功控制了鍺的可調(diào)制波長(zhǎng)(b)。(圖(a)由PECST制作,(b)由東京大學(xué)和田研究室拍攝)



   光子晶體(Photonic Crystal,PhC)=以人工方式在電磁波透過(guò)的材料中制作了大量尺寸與透過(guò)的電磁波波長(zhǎng)基本相同的開(kāi)孔的材料。用于光密封、路徑控制、群速度控制等。半導(dǎo)體的原子排列規(guī)則,因此自由電子等載流子會(huì)產(chǎn)生價(jià)帶、禁帶(帶隙)和導(dǎo)帶。PhC用人工孔代替原子實(shí)現(xiàn)了與半導(dǎo)體相同的效果。最近,可實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體晶格振動(dòng)(聲子)效果的“聲子晶體(Phononic Crystal)”也已問(wèn)世。 

   PhC的特點(diǎn)是,光密封效果非常高,而且可大幅減慢光速(群速度)。慢光意味著PhC波導(dǎo)的有效折射率大,以短波導(dǎo)也能確保較長(zhǎng)的有效路徑長(zhǎng)度,因此能實(shí)現(xiàn)調(diào)制器的小型化。 

   在PhC的開(kāi)發(fā)中,有將光速減慢到約1/1000萬(wàn)的例子。不過(guò),光速過(guò)慢的話,會(huì)出現(xiàn)帶寬非常窄的課題。在馬場(chǎng)教授的開(kāi)發(fā)中,通過(guò)將光速減至約1/10,可在波長(zhǎng)為1550nm附近的17nm帶寬下使用,而且“對(duì)溫度的依賴性也比較小,在100℃以上的溫度變化下也能運(yùn)行”。 

   據(jù)馬場(chǎng)教授介紹,這種復(fù)雜構(gòu)造的元件乍一看好像很難制造,但“可以通過(guò)180nm工藝CMOS技術(shù)中使用的248nm KrF步進(jìn)器制造”。 

   導(dǎo)入MEMS技術(shù) 

   有望縮小調(diào)制器尺寸的另一項(xiàng)技術(shù)是MEMS技術(shù)。東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科教授和田一實(shí)的研發(fā)小組在采用鍺(Ge)的電場(chǎng)吸收(EA)型調(diào)制器中采用了MEMS技術(shù)。由此,將調(diào)制器長(zhǎng)度縮小至約30μm。其特點(diǎn)是可以使用無(wú)摻雜的鍺,而且利用MEMS技術(shù)還能使用于調(diào)制的波長(zhǎng)范圍可變。 

   采用鍺的EA型調(diào)制器和受光器一般通過(guò)對(duì)鍺進(jìn)行摻雜或施加應(yīng)變來(lái)改變調(diào)制和受光波長(zhǎng),但無(wú)法實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的可變控制,而且摻雜后,存在與其他元件在制造工藝上兼容性降低的課題。

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