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太赫兹与硅光子技术融合应用展望

2016-05-18 08:57
夜隼008
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  引  言

  以移动互联网、智能终端、大数据、云计算为代表的新兴信息技术对信息基础设施、网络、终端设备等提出了空前挑战。目前,城域网、高端数据中心、服务器中心的局域网已实现光纤互联,采用 WDM技术可以达到 Tb/s的传输速率,实验系统可以达到 10Tb/s以上的传输速率。与之不匹配的是“最后一公里”无线通信的传输速率和设备级背板间以及板卡级芯片间的传输速率。解决“最后一公里”问题的备选决解方案之一是采用太赫兹技术。太赫兹介于微波与远红外光之间,处在宏观电子学向微观光子学过渡的频段,可实现10Gb/s以上的高速无线通信系统。

  另一方面伴随数据中心、超大规模计算机群间、计算机内部芯片间数据传输速率越来越高,首先突现的问题是功耗的上升,与此同时传统基于金属导体(铜)为介质的数据传输载体在数据传输速高于 10Gb/s时往往不可避免的受到衰减,串扰和温度的影响。虽然可以通过在收发器两端设计高复杂度的均衡器来动态补偿这些衰减,但均衡器自身所产生的功耗问题已经无法忽视甚至严重影响系统的性能。据统计,仅在 2011年,谷歌的各个大型数据中心的电力消耗已经达到2.6 亿瓦特,大约相当于一个核电站发电量的四分之一。可见,基于金属介质的高速传输无论是在带宽上,还是在功耗上都难以继续在工程实现上获得有效提升。而光纤传输具有极低的损耗和极佳带宽性能,因此若能够以光纤替代传统铜导线,实现从设备级背板间、板卡级芯片间、甚至芯片内部的光传输,将使系统传输处理数据的能力获得本质提升。而阻碍这一技术进步的核心问题是传统的电光转换(如 LiNbO3  Modulator),光电转换(InGaAsP Photo Detector)模块无论是在模块尺寸上,还是在制造封装成本上都难以适应芯片间高速传输的应用需求。硅光子技术就是基于这种背景被提出,它将光学与电子元件组合至一个独立的硅基芯片系统中以提升设备级线卡间、芯片间的数据传输速率,因此被视为延续摩尔定律的有效方案之一。因此近年来,国内外学术界工业界,包括 Intel、IBM、CISCO 等主要芯片通讯设备制造生产企业都在硅光子领域投入了大量的研究资源。

  硅光子技术在实现数据高速传输处理等方 面展示了巨大的潜力。2010 年,Intel公司首次实现 50Gb/s 的硅光子数据传输,并向 1Tb/s的硅光子传输速率攻关。需要指出的是,50Gb/s 这一传输速率采用四路并行的方式,即单通道 12.5Gb/s。随着硅光子技术的不断发展,其单通道传输速率有待进一步提高。本文正是基于这一背景对硅光子领域的几个关键问题进行介绍,并探讨太赫兹技术与硅光子技术融合的更多可能性,以期望在未来全光网络、光相控阵雷达、太赫兹雷达等方面取得更广泛的应用。

  1硅光子技术发展动态与技术现状

  目前系统级设备内部均采用电学芯片,以电子信号计算、传输、存储信息,其优势在于CMOS 芯片低廉的制造成本和大规模集成所带来的复杂运算能力。而光学传输系统的优势在于其极高的传输速度和效率。要实现光子与电子的有效结合,最主要的问题是在传统硅基衬底上制造出能够有效进行电光、光电转换模块。

  1.1硅基光电转换模块

  在工业实现上,光电转换均是通过硅基雪崩光电探测器(PD)来实现。比较典型的设计是Intel 公司 2009 年发布的具有 340GHz“增益带宽积”的光电探测器芯片。如图 1 所示,每一个黄色的圆环均代表一个探测器。不同于以往的 III-V族雪崩探测器(InGaAsP Photo Detector),新工艺通过将锗材料融入标准的 CMOS工艺,因此基于新工艺的探测器可以很容易达到芯片级的批量生产(上亿数量级)。而且在保持了足够优异的增益带宽性能同时,其物理尺寸仅有几十微米。

图 1 Intel公司2009年发布的硅基雪崩光电探测器芯片

  1.2硅基电光转换模块

  相较于目前发展比较成熟的光电转换模块技术路线,在电光转换端,依然存在着不同的技术路线选择方案。比较常见的是垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL) 、 环谐振器调制器 (Ringresonator modulator,RRM)、 马赫-曾德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator,MZM)。这其中,VCSEL 曾经是最为成熟的工业选择,但是其最大有效带宽只能达到 25Gb/s。而 RRM 结构已经被证明具有最好的功耗效率,但是其性能对于环境温度变化过于敏感限制了其应用范围和前景。相比之下,MZM 正逐步成为主要的工程实现选择,尽管其功耗仍有待于进一步降低。

图 2 英国南安普敦大学2013年发布的硅基MZM(长度250微米)相位调制显微图像

  如图 2 所示,不同于传统的铌酸锂 MZM 调制器,硅基的 MZM 调制器是在硅基衬底上制造出 PN结。通过外加电压使 PN结反偏,随着外界电压的不同,PN 结内载流子的浓度不同,从而使通过其中的光信号发生相位偏移进而实现相位调节。因此对于驱动 MZM 的电学放大器来说,整个 MZM 可以被近似等同于一个纯容抗模型。因而其带宽性能更多的取决于其内部的等效电容在高频率下的阻抗大小以及其对应的电学放大器的性能指标。例如图 3 中的眼图所示,南安普敦大学研发的这款硅基 MZM就在外加 6.5Vpp电压摆幅的情况下取得了 40Gb/s 的性能,并且其消光比可以达到 10dB。

图 3 基于图2所示的硅基MZM测试眼图(比特率:40Gb/s,消光比:10dB)

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