片上光網(wǎng)絡(luò)及其關(guān)鍵低能耗光子集成器件

        日前，在“2012國際光纖通信論壇”上，中國科學院半導(dǎo)體研究所研究員成步文，發(fā)表了以“片上光網(wǎng)絡(luò)及其關(guān)鍵低能耗光子集成器件”為題的演講。

　　成步文：各位來賓上午好!我是成步文。今天報告跟前面都是差別必須大，趙院長超長距離大容量一個宏觀。我再介紹片上光光網(wǎng)絡(luò)，比較微觀一個小短距離。首先介紹一下為什么需要片上光網(wǎng)絡(luò)?以及基本構(gòu)架，對光子器件的基本要求，以及目前研究現(xiàn)狀，最后一個結(jié)束語。

　　我們知道隨著信息技術(shù)發(fā)展，數(shù)據(jù)容量、數(shù)據(jù)處理容量都是大規(guī)模爆炸式增長。這樣雖然我們這個信息是一個低能耗，由于它的爆炸性增長使得這個能耗迅速上升，它在國民經(jīng)濟占有能耗比重也上升。所以，我們在信息技術(shù)農(nóng)業(yè)發(fā)展綠色技術(shù)，不僅滿足對信息的要求，還要滿足節(jié)能減排。光子技術(shù)應(yīng)用實際上降低能耗重要的手段，我們看到通信網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)到家庭網(wǎng)絡(luò)，所以這個降低能耗。我們用了光子技術(shù)就能降耗，我們光子本身還要進一步降低能耗。

　　還有一個信息技術(shù)超大規(guī)模計算機，看到這個計算機如果往后我們拿到百億次超級計算的功能這個大的驚人，我們有新的技術(shù)才能突破這個能耗問題。從這個柜間的網(wǎng)絡(luò)以及到板間，到模塊間，到芯片間拓展。進一步這個光子技術(shù)應(yīng)用在芯片里面是不是也需要光子技術(shù)應(yīng)用呢?大家確實大家認為是芯片里面，以后我們也需要光子信息的應(yīng)用。

　　因為微電子芯片遇到的挑戰(zhàn)，主要就是特征線寬的減少，微電子芯片中的信息傳輸成為性能提高的瓶頸，主要表現(xiàn)在時延增大，功能劇增。信息傳輸時延比能時延還要高很多。右邊這個能耗，信息的傳輸所占的能耗，占整個芯片能耗大部分。所以，要解決芯片能耗問題，用多核芯片是解決能耗一個手段。我們現(xiàn)在從4核發(fā)展到8核，以后要發(fā)展到16核。所以這個多核技術(shù)是未來高端芯片發(fā)展一個趨勢。

　　實現(xiàn)這么多核，核與核之間信息的傳輸，隨著核的數(shù)目的增長，共享總線通信的方法在拓展性等方面存在局限性， 需要采用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但是，如果片上光通信網(wǎng)絡(luò)面臨的瓶頸，信號要緩沖，再生等多過程才能到達終點，所以時延比較大。過程中需要很多的功耗，功耗也比較大，在規(guī)模大光網(wǎng)，最后電網(wǎng)也存在一些問題。

　　我們想研究一個是兩個方面，一個是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計和能耗管理，還有低能耗光子集成器件是實現(xiàn)片上光網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。那么片上光網(wǎng)絡(luò)是一種超短距離的光通信系統(tǒng)，主要包括光發(fā)射，光路由，光接收等部分。舉個例子，光學時鐘分配網(wǎng)絡(luò)，光從一個源發(fā)射出來，就是信號出來以后，經(jīng)過一個整個波導(dǎo)以后，這個信號傳輸?shù)矫總€核，核地區(qū)有一個光的接收。

　　再舉個例子，就是混合MESH網(wǎng)絡(luò)，與MESH光落比較，激光器和光電轉(zhuǎn)換減少75%，時延減40%，功耗減42%。電控光傳。與E-Noc相比，性能提高到3.1倍，能耗減少92%，時延減少52%。還有一個設(shè)計一個片上片下網(wǎng)絡(luò)這么一個光網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一的設(shè)計，所以片上光網(wǎng)絡(luò)不僅自己簡單設(shè)計，還有一個片下光網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合設(shè)計，更低降低它的能耗。

片上光網(wǎng)絡(luò)對光子器件的基本要求，最基本一點他希望跟西門子工藝兼容性好，立足于SI材料和硅基IV族材料。還有光子器件必須要微納化，光子器件不能占據(jù)太大面積，尺寸與光子學器件尺寸基本匹配。舉個例子，看相關(guān)的重要器件，一個是光發(fā)射，一個是接收，一個傳輸，發(fā)射器現(xiàn)在來講硅基情況下實現(xiàn)，大家說能不能做片下的東西，但是我們觀點認為可能以后芯片片上激光和片下激光相結(jié)合，所以我們可能這兩者方式去要。傳輸我們想包括一些網(wǎng)絡(luò)波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，復(fù)用。

　　硅基高效發(fā)光器件，我們做的歸納就是動量守恒制約，輻射躍遷需繩子參與，多體過程，輻射躍遷幾率低。載流子區(qū)域。Ge是否可以實現(xiàn)激光，有可能。應(yīng)變提高的GE發(fā)光效率，無應(yīng)變GE的能帶結(jié)構(gòu)，張應(yīng)變?yōu)?.8%時GE的能帶結(jié)構(gòu)。所以我們還想其他方式，比如我們這里面摻雜，應(yīng)變加摻雜。我們還有GESN合金，準直接帶，提高發(fā)光效率，6%的時候就可以實現(xiàn)直接帶?；贕E的IV組材料發(fā)光器件歷程，從07到2012年電泵激光的實現(xiàn)?，F(xiàn)在目前規(guī)格試圖材料還沒有實現(xiàn)，比較好的。

　　比利時做是微盤激光器，可以發(fā)射不同的光的波長。硅基高速光調(diào)制器，基于載流子等離子色散效應(yīng)，相位芯，MZI等等。基于等離子色散效應(yīng)的硅基光調(diào)制器，電學結(jié)構(gòu)，也有光學結(jié)構(gòu)，F(xiàn)P腔，微環(huán)諧振腔。還有一個就是GE量子井的量子限制STark效應(yīng)。SIGE量子井STARK效應(yīng)。還有這個F-K效應(yīng)GESI光調(diào)制器，可以實現(xiàn)吸收波長的鴻儀。

　　不同結(jié)構(gòu)硅基電光調(diào)脂得氣比較，MZI型，尺寸大，功耗高，繼承性比較差，性能最好。微環(huán)型，尺寸小，溫度和工藝敏感性大，要控溫。EA型，尺寸小，速度快，功耗低，適合集成。但是有一部分他現(xiàn)在正成熟期。

　　主要目的就是級低電容高速高響應(yīng)PD是方向和難點，這個是以后發(fā)展方向。光路由器，夠出一個無組塞4×4光路由器。主要基于微環(huán)結(jié)構(gòu)，熱光效應(yīng)，功耗較大，速度較慢。這樣方式速度慢，基本應(yīng)用主要是一個信號調(diào)控，一個路由而已。以后光電效應(yīng)也是可以實現(xiàn)的。

　　最后，片上光網(wǎng)絡(luò)是未來高端眾核芯片關(guān)鍵技術(shù)，光見得光子器件已基本研制出來，降低功耗將是主要路線。