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(xué)院半導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。今天報告跟前面都是差別必須大，趙院長(cháng)超長(cháng)距離大容量一個(gè)宏觀(guān)。我再介紹片上光光網(wǎng)絡(luò )，比較微觀(guān)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 )?以及基本構架，對光子器件的基本要求，以及目前研究現狀，最后一個(gè)結束語(yǔ)。

　　我們知道隨著(zhù)信息技術(shù)發(fā)展，數據容量、數據處理容量都是大規模爆炸式增長(cháng)。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(cháng)使得這個(gè)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)農業(yè)發(fā)展綠色技術(shù)，不僅滿(mǎn)足對信息的要求，還要滿(mǎn)足節能減排。光子技術(shù)應用實(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)超大規模計算機，看到這個(gè)計算機如果往后我們拿到百億次超級計算的功能這個(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)應用在芯片里面是不是也需要光子技術(shù)應用呢?大家確實(shí)大家認為是芯片里面，以后我們也需要光子信息的應用。

　　因為微電子芯片遇到的挑戰，主要就是特征線(xiàn)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。

　　實(shí)現這么多核，核與核之間信息的傳輸，隨著(zhù)核的數目的增長(cháng)，共享總線(xiàn)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 )結構。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(guò)程才能到達終點(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)是結構優(yōu)化的設計和能耗管理，還有低能耗光子集成器件是實(shí)現片上光網(wǎng)絡(luò )的基礎。那么片上光網(wǎng)絡(luò )是一種超短距離的光通信系統，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)，就是信號出來(lái)以后，經(jīng)過(guò)一個(gè)整個(gè)波導以后，這個(gè)信號傳輸到每個(gè)核，核地區有一個(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)設計一個(gè)片上片下網(wǎng)絡(luò )這么一個(gè)光網(wǎng)絡(luò )統一的設計，所以片上光網(wǎng)絡(luò )不僅自己簡(jiǎn)單設計，還有一個(gè)片下光網(wǎng)絡(luò )聯(lián)合設計，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(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)射器現在來(lái)講硅基情況下實(shí)現，大家說(shuō)能不能做片下的東西，但是我們觀(guān)點(diǎn)認為可能以后芯片片上激光和片下激光相結合，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 )波導網(wǎng)絡(luò )，復用。

　　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。載流子區域。Ge是否可以實(shí)現激光，有可能。應變提高的GE發(fā)光效率，無(wú)應變GE的能帶結構，張應變?yōu)?.8%時(shí)GE的能帶結構。所以我們還想其他方式，比如我們這里面摻雜，應變加摻雜。我們還有GESN合金，準直接帶，提高發(fā)光效率，6%的時(shí)候就可以實(shí)現直接帶?；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?，F在目前規格試圖材料還沒(méi)有實(shí)現，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(cháng)。硅基高速光調制器，基于載流子等離子色散效應，相位芯，MZI等等?；诘入x子色散效應的硅基光調制器，電學(xué)結構，也有光學(xué)結構，FP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。SIGE量子井STARK效應。還有這個(gè)F-K效應GESI光調制器，可以實(shí)現吸收波長(cháng)的鴻儀。

　　不同結構硅基電光調脂得氣比較，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。但是有一部分他現在正成熟期。

　　主要目的就是級低電容高速高響應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)結構，熱光效應，功耗較大，速度較慢。這樣方式速度慢，基本應用主要是一個(gè)信號調控，一個(gè)路由而已。以后光電效應也是可以實(shí)現的。

　　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(xiàn)。