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(guó)際光纖通信論壇”上，中國(guó)科學(xué)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(lái)賓上午好!我是成步文。今天報(bào)告跟前面都是差別必須大，趙院長(zhǎng)超長(zhǎng)距離大容量一個(gè)宏觀。我再介紹片上光光網(wǎng)絡(luò)，比較微觀一個(gè)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(duì)光子器件的基本要求，以及目前研究現(xiàn)狀，最后一個(gè)結(jié)束語(yǔ)。

　　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(zhǎng)。這樣雖然我們這個(gè)信息是一個(gè)低能耗，由于它的爆炸性增長(zhǎng)使得這個(gè)能耗迅速上升，它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)占有能耗比重也上升。所以，我們?cè)谛畔⒓夹g(shù)農(nóng)業(yè)發(fā)展綠色技術(shù)，不僅滿足對(duì)信息的要求，還要滿足節(jié)能減排。光子技術(shù)應(yīng)用實(shí)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(gè)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(jìn)一步降低能耗。

　　還有一個(gè)信息技術(shù)超大規(guī)模計(jì)算機(jī)，看到這個(gè)計(jì)算機(jī)如果往后我們拿到百億次超級(jí)計(jì)算的功能這個(gè)大的驚人，我們有新的技術(shù)才能突破這個(gè)能耗問(wèn)題。從這個(gè)柜間的網(wǎng)絡(luò)以及到板間，到模塊間，到芯片間拓展。進(jìn)一步這個(gè)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(shí)大家認(rèn)為是芯片里面，以后我們也需要光子信息的應(yīng)用。

　　因?yàn)槲㈦娮有酒龅降奶魬?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(shí)延增大，功能劇增。信息傳輸時(shí)延比能時(shí)延還要高很多。右邊這個(gè)能耗，信息的傳輸所占的能耗，占整個(gè)芯片能耗大部分。所以，要解決芯片能耗問(wèn)題，用多核芯片是解決能耗一個(gè)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(gè)多核技術(shù)是未來(lái)高端芯片發(fā)展一個(gè)趨勢(shì)。

　　實(shí)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(zhǎng)，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(hào)要緩沖，再生等多過(guò)程才能到達(dá)終點(diǎn)，所以時(shí)延比較大。過(guò)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(wèn)題。

　　我們想研究一個(gè)是兩個(gè)方面，一個(gè)是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)和能耗管理，還有低能耗光子集成器件是實(shí)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(gè)例子，光學(xué)時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)，光從一個(gè)源發(fā)射出來(lái)，就是信號(hào)出來(lái)以后，經(jīng)過(guò)一個(gè)整個(gè)波導(dǎo)以后，這個(gè)信號(hào)傳輸?shù)矫總€(gè)核，核地區(qū)有一個(gè)光的接收。

　　再舉個(gè)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(shí)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(shí)延減少52%。還有一個(gè)設(shè)計(jì)一個(gè)片上片下網(wǎng)絡(luò)這么一個(gè)光網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)，所以片上光網(wǎng)絡(luò)不僅自己簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，還有一個(gè)片下光網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合設(shè)計(jì)，更低降低它的能耗。

片上光網(wǎng)絡(luò)對(duì)光子器件的基本要求，最基本一點(diǎn)他希望跟西門(mén)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(xué)器件尺寸基本匹配。舉個(gè)例子，看相關(guān)的重要器件，一個(gè)是光發(fā)射，一個(gè)是接收，一個(gè)傳輸，發(fā)射器現(xiàn)在來(lái)講硅基情況下實(shí)現(xiàn)，大家說(shuō)能不能做片下的東西，但是我們觀點(diǎn)認(rèn)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(dòng)量守恒制約，輻射躍遷需繩子參與，多體過(guò)程，輻射躍遷幾率低。載流子區(qū)域。Ge是否可以實(shí)現(xiàn)激光，有可能。應(yīng)變提高的GE發(fā)光效率，無(wú)應(yīng)變GE的能帶結(jié)構(gòu)，張應(yīng)變?yōu)?.8%時(shí)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(zhǔn)直接帶，提高發(fā)光效率，6%的時(shí)候就可以實(shí)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(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在目前規(guī)格試圖材料還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，比較好的。

　　比利時(shí)做是微盤(pán)激光器，可以發(fā)射不同的光的波長(zhǎng)。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?；诘入x子色散效應(yīng)的硅基光調(diào)制器，電學(xué)結(jié)構(gòu)，也有光學(xué)結(jié)構(gòu)，F(xiàn)P腔，微環(huán)諧振腔。還有一個(gè)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(gè)F-K效應(yīng)GESI光調(diào)制器，可以實(shí)現(xiàn)吸收波長(zhǎng)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(jí)低電容高速高響應(yīng)PD是方向和難點(diǎn)，這個(gè)是以后發(fā)展方向。光路由器，夠出一個(gè)無(wú)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(gè)信號(hào)調(diào)控，一個(gè)路由而已。以后光電效應(yīng)也是可以實(shí)現(xiàn)的。

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