5/13/2013，小型化也取得巨大進(jìn)展 瞄準(zhǔn)芯片間光傳輸?shù)牟考�試制也已�?jīng)展開。由日本內(nèi)閣府提供支援的研究開發(fā)組織光電子融合系統(tǒng)基礎(chǔ)技術(shù)開發(fā)（PECST）試制的光收

小型化也取得巨大進(jìn)展

　　瞄準(zhǔn)芯片間光傳輸?shù)牟考�試制也已�?jīng)展開。由日本內(nèi)閣府提供支援的研究開發(fā)組織“光電子融合系統(tǒng)基礎(chǔ)技術(shù)開發(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)搿肮獾母咚俟�路�?

本圖為東京大學(xué)荒川研究室與PECST開發(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。（圖片：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)成立的研究開發(fā)組織。2010年3月開始研究工作。

　　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)器的尺寸原來就非常大，有數(shù)cm見方，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�件面積小的話，元件容量也小。通過推進(jìn)元件尺寸的小型化，一舉改善了光傳輸?shù)暮碾娏亢图�成度這兩項(xiàng)課題。



           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。

　　開發(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的1/4；鍺光敏元件也實(shí)現(xiàn)了2倍以上的高速化。（圖片：PECST）

　　*Mach-Zehnder（馬赫-曾德爾）型光調(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)制效率低的問題，需要較長(zhǎng)的路徑長(zhǎng)度。原來長(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)制效率提高到原來的4倍實(shí)現(xiàn)的。

　　PECST開發(fā)的光調(diào)制器通過改變硅波導(dǎo)和附近的載流子密度來改變折射率。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）鍺光敏元件通過由原來的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)一步縮小到了原來的1/5以下�；拇ń淌诒硎荆�“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”。

來源：電子發(fā)燒友網(wǎng)