2013年05月08日01:32
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硅光子技術(shù)（上）芯片間實(shí)現(xiàn)光傳輸
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超高精細(xì)影像“4K×2K”技術(shù)開(kāi)發(fā)悄然興起
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）。
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圖4：芯片間布線駛?cè)搿肮獾母咚俟贰?/strong> 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)。
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”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)里面見(jiàn)方，不適合1cm距離的傳輸（圖5）。
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
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)槿绻娣e小，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。
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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“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。荒川教授表示，“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”。
通過(guò)“慢光”縮小調(diào)制器尺寸
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。
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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)，如果光速過(guò)慢，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。（日經(jīng)技術(shù)在線！ 供稿）
