硅光子技术全面普及:器件小型化取得长足进步

2013-05-02 22:49:13来源: 技术在线
     小型化也取得巨大进展

       瞄准芯片间光传输的部件试制也已经展开。由日本内阁府提供支援的研究开发组织“光电子融合系统基础技术开发(PECST)”试制的光收发器IC注3)达到了目前世界最高的集成度和传输容量密度。PECST于2012年9月发布了可在1cm2的硅芯片上、集成526个数据传输速度为12.5Gbps的光收发器的技术注4),数据传输容量密度相当于约6.6Tbit/秒/cm2。主要用于负责LSI间大容量数据传输的光转接板(图4)。

 
图4:芯片间布线驶入“光的高速公路”
本图为东京大学荒川研究室与PECST开发的LSI间数据传输用光转接板的概要。除了作为光源的激光元件外,都使用CMOS兼容技术集成到了SOI基板上。激光元件也可以利用普通的贴片机安装到芯片上。(摄影:右为PECST)

注3)PECST是以在2025年实现“片上数据中心”、即在硅芯片上实现数据中心功能为目标成立的研究开发组织。2010年3月开始研究工作。

注4) 该光收发器每组所占面积为0.19mm2。除激光元件外全部利用CMOS兼容技术实现。
 

       这次发布具有划时代的意义,该技术解决了各元件的尺寸过大、难以实现短距离传输和高密度集成的原有课题。常有人把光传输比喻为“飞机”运输,而把电传输比喻为“铁路”或“汽车”运输,如果是跨海的长距离运输,使用飞机比较合适,但如果只是向几公里远的相邻城市运输货物则不适合使用飞机。因为不仅有燃料的问题,飞机起降所需的“机场”也太大。而光传输中相当于“机场”的光收发器的尺寸原来就非常大,有数cm见方,不适合1cm距离的传输(图5)。

       从PECST的试制品上,能看到在面积1cm2的芯片上集成多个光收发器IC的可能性。光收发器IC和构成元件的小型化几乎直接关系到低耗电量化。因为元件面积小的话,元件容量也小。通过推进元件尺寸的小型化,一举改善了光传输的耗电量和集成度这两项课题。

开发独特的核心技术群


图5:即将实现10Tbit/秒/cm2的传输容量密度
本图为光传输用收发器的小型化以及伴随小型化的集成度提高情况。通过小型化提高集成度的话,传输容量密度也会提高。目前的最高传输容量密度为PECST实现的6.6Tbit/秒/cm2。PECST预计2013年上半年将实现10Tbit/秒/cm2。

       PECST的光收发器的实现主要依靠四项核心技术(图6),分别为(1)作为光源的激光阵列元件、(2)连接光源与硅波导的光斑尺寸转换器(SSC)、(3)Mach-Zehnder型光调制器*、(4)锗光敏元件。

 
图6:实现6.6Tbit/秒/cm2传输容量密度的核心要素
本图为东京大学荒川研究室与PECST实现6.6Tbit/秒/cm2传输容量密度的技术要点。激光元件方面,开发出了大规模阵列化的技术;大幅降低了光斑尺寸转换器的损失;光调制器的尺寸缩小至原来的1/4;锗光敏元件也实现了2倍以上的高速化。(摄影:PECST)

*Mach-Zehnder(马赫-曾德尔)型光调制器=光干涉仪的一种,一般是把同一光源的光分成两束,对其中一束实施相位控制等处理后,再与另一束光耦合。

       (1)激光阵列元件以约30μm的间距成功地配置了13通道的激光二极管(LD)。PECST称“目前已经制作出104通道的元件”。

       (2)SSC把以往的一条锥形波导改为三条波导构成,从而大幅降低了光耦合损失。而且,在硅上安装激光阵列元件时的位置对准精度也大幅放宽,为0.9μm。

解决了调制器的两个课题

       对光收发器的小型化贡献最大的是(3)光调制器的开发。以前,Mach-Zehnder型光调制器为了补偿调制效率低的问题,需要较长的路径长度。原来长度为1cm以上,最近缩短到了1mm左右,而此次大幅缩短至250μm。这是通过将pin型二极管像梳子齿一样垂直配置在硅波导上,把调制效率提高到原来的4倍实现的。

       PECST开发的光调制器通过改变硅波导和附近的载流子密度来改变折射率。此时的课题是如何兼顾波导中的光密封和在不妨碍光的范围内提高载流子密度的控制。此次的设计通过将载流子出入口设计成篦子齿那样细密,不让光从这里漏出,从而解决了这一个课题。

       (4)锗光敏元件通过由原来的pin型构造改为元件容量小的MSM构造*,实现了2倍以上的高速动作。

*MSM(金属-半导体-金属)构造是光电二极管(PD)的一种,半导体与两枚金属电极组合的构造。

       扩大传输容量密度方面,PECST也有了头绪。其主要研究人员——东京大学先端科学技术研究中心教授荒川泰彦2012年改进了光调制器的电极设计,将其所占面积进一步缩小到了原来的1/5以下。荒川教授表示,“将其用于光收发器IC集成的话,预计可实现10Tbit/秒/cm2的目标传输容量密度”。

通过“慢光”缩小调制器尺寸

       要想进一步改善PECST的成果,进一步缩小光调制器的尺寸并实现高速动作至关重要。这方面的研究也取得了进展(图7)。例如,PECST的研究人员之一——横滨国立大学工学研究院教授马场俊彦的研发小组通过CMOS兼容技术开发出了利用光子晶体(PhC)*技术实现10Gbit/秒动作的Mach-Zehnder型光调制器。由此,将光调制器的长度大幅缩短到了90μm。

 
图7:光调制器取得进一步的进步
本图为日本的研究机构开发的新一代光调制器的概要。横滨国立大学的马场研究室利用光子晶体(PhC)将光速降至约1/10,由此在较短的元件长度下确保了较长的光的有效路径长度(a)。东京大学和田研究室通过组合使用锗调制器和MEMS,利用板簧的应力成功控制了锗的可调制波长(b)。(图(a)由PECST制作,(b)由东京大学和田研究室拍摄)

*光子晶体(Photonic Crystal,PhC)=以人工方式在电磁波透过的材料中制作了大量尺寸与透过的电磁波波长基本相同的开孔的材料。用于光密封、路径控制、群速度控制等。半导体的原子排列规则,因此自由电子等载流子会产生价带、禁带(带隙)和导带。PhC用人工孔代替原子实现了与半导体相同的效果。最近,可实现半导体晶格振动(声子)效果的“声子晶体(Phononic Crystal)”也已问世。

       PhC的特点是,光密封效果非常高,而且可大幅减慢光速(群速度)。慢光意味着PhC波导的有效折射率大,以短波导也能确保较长的有效路径长度,因此能实现调制器的小型化。

       在PhC的开发中,有将光速减慢到约1/1000万的例子。不过,光速过慢的话,会出现带宽非常窄的课题。在马场教授的开发中,通过将光速减至约1/10,可在波长为1550nm附近的17nm带宽下使用,而且“对温度的依赖性也比较小,在100℃以上的温度变化下也能运行”。

       据马场教授介绍,这种复杂构造的元件乍一看好像很难制造,但“可以通过180nm工艺CMOS技术中使用的248nm KrF步进器制造”。

导入MEMS技术

       有望缩小调制器尺寸的另一项技术是MEMS技术。东京大学研究生院工学系研究科教授和田一实的研发小组在采用锗(Ge)的电场吸收(EA)型调制器中采用了MEMS技术。由此,将调制器长度缩小至约30μm。其特点是可以使用无掺杂的锗,而且利用MEMS技术还能使用于调制的波长范围可变。

       采用锗的EA型调制器和受光器一般通过对锗进行掺杂或施加应变来改变调制和受光波长,但无法实现波长的可变控制,而且掺杂后,存在与其他元件在制造工艺上兼容性降低的课题。(未完待续,记者:野泽哲生,《日经电子》)


关键字:硅光子  器件小型化

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2013/0502/article_21645.html
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