文章來源：半導(dǎo)體全解

原文作者：圓圓De圓

本文介紹了硅光芯片的發(fā)展歷史，詳細(xì)介紹了硅光通信技術(shù)的原理和幾個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元。

隨著高性能計(jì)算等新型應(yīng)用的發(fā)展，芯片所需要處理的數(shù)據(jù)量不斷增加，人們對(duì)芯片處理時(shí)效性的要求也越來越高，這就要求芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)也應(yīng)該根據(jù)應(yīng)用特性進(jìn)行相應(yīng)創(chuàng)新。

傳統(tǒng)以電總線將各個(gè)處理器核、處理器核與存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行互連的方式存在嚴(yán)重通信競(jìng)爭問題，電總線形式的互連逐漸被電互連網(wǎng)絡(luò)取代。

然而由于寄生電容的存在，電互連網(wǎng)絡(luò)在高速長距離數(shù)據(jù)通信中將會(huì)產(chǎn)生較大的能耗開銷，通信過程中所產(chǎn)生的熱量也對(duì)芯片可靠性帶來了挑戰(zhàn)，因此電互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)并非一種適用于所有芯片通信場(chǎng)景的互連形式。

隨著硅光制造工藝與CMOS 制造工藝日趨成熟，一些重要的硅光器件可以通過2.5D或3D的形式與現(xiàn)有硅基芯片進(jìn)行集成，這就使得片上光互連成為一種新的片上互連形式。

面向存儲(chǔ)系統(tǒng)的互連架構(gòu)搭建逐步由電互連結(jié)構(gòu)發(fā)展為光互連結(jié)構(gòu)，光互連由于其高帶寬、低功耗等特性更有利于特定需求下訪存互連的構(gòu)建。

隨著硅光技術(shù)的發(fā)展，光器件將有更具優(yōu)勢(shì)的性能指標(biāo)。

面向存儲(chǔ)系統(tǒng)光互連結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中涉及幾種重要的基本光學(xué)器件，包括用于數(shù)據(jù)傳輸通路實(shí)現(xiàn)的光波導(dǎo)、用于數(shù)據(jù)傳輸過程中實(shí)現(xiàn)路徑轉(zhuǎn)換的微環(huán)諧振器、用于將數(shù)據(jù)信息在光電兩種形式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的調(diào)制器與解調(diào)器等。

光器件的研究對(duì)于構(gòu)建面向存儲(chǔ)的互連網(wǎng)絡(luò)有著重要的影響，不僅影響到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，也在一定程度上決定了互連網(wǎng)絡(luò)性能。

上圖是片上通信系統(tǒng)中使用了一些基本光學(xué)元件，包括激光源、調(diào)制器、解調(diào)器、微環(huán)諧振器和光波導(dǎo)。

激光器屬于光發(fā)射器件，用來產(chǎn)生通信所需的光波，例如垂直腔面發(fā)射激光器源可以實(shí)現(xiàn)讓多個(gè)不同波長的光源在同一根片上光波導(dǎo)中傳輸。

光波導(dǎo)屬于傳輸器件，負(fù)責(zé)通信中光信號(hào)的傳輸。

調(diào)制器負(fù)責(zé)將電信號(hào)調(diào)制到光波上，完成從處理器核端或存儲(chǔ)端發(fā)送的電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

調(diào)制解調(diào)器負(fù)責(zé)光電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，使得數(shù)據(jù)既可以在光鏈路中進(jìn)行傳輸，也可以在處理器核和存儲(chǔ)模塊中進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，調(diào)制器和解調(diào)器均將微環(huán)諧振器作為主要構(gòu)成元件。

微環(huán)諧振器是一個(gè)環(huán)形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

環(huán)形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有長、寬、高以及環(huán)形半徑等物理參數(shù)，這些物理參數(shù)將決定微環(huán)諧振器的“諧振波長”這一參數(shù)。

除了以上物理參數(shù)會(huì)決定諧振波長外，通過對(duì)微環(huán)諧振器施加電壓也可以改變諧振波長。因此，不同的微環(huán)諧振器可以對(duì)不同的波長產(chǎn)生不同的響應(yīng)特性，且這種響應(yīng)特性可以通過 電壓或溫度變化進(jìn)行控制：當(dāng)傳輸至微環(huán)諧振器的波長與微環(huán)諧振器的諧振波長相同 時(shí)，微環(huán)諧振器將耦合該波長，使得該波長的傳輸路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn);當(dāng)傳輸至歸還諧振器的波長與微環(huán)諧振器的諧振波長不同時(shí)，該波長不會(huì)被微環(huán)諧振器耦合，傳輸路徑不發(fā)生改變。

無源微環(huán)諧振器是預(yù)先設(shè)置的，并在運(yùn)行期間保持諧振波長不變;

有源微環(huán)諧振器的諧振波長可以通過加熱或感染額外的電子來調(diào)整。

寬帶微環(huán)諧振器是一種大直徑微環(huán)諧振器，可以耦合多個(gè)波長。

下面對(duì)硅光通信技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行進(jìn)一步說明：

(1)光波導(dǎo)

在硅基芯片上光波導(dǎo)是光信號(hào)傳輸?shù)穆窂剑病斑B接”著諸如調(diào)制器、解調(diào)器和微環(huán)諧振器等光器件，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)從一種器件傳輸至另一種器件中。

光波導(dǎo)所扮演的角色與電互連網(wǎng)絡(luò)中金屬線的角色相當(dāng)，與金屬線中傳輸電信號(hào)相比，光波導(dǎo)中光信號(hào)的傳輸不會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸速率的提升而帶來額外能耗開銷。

結(jié)合多個(gè)不同的波長可以在同一光波導(dǎo)中進(jìn)行同時(shí)傳輸這一特性，在實(shí)現(xiàn)片上光傳輸時(shí)，通常可以通過將電信號(hào)調(diào)制至不同波長并進(jìn)行同時(shí)傳輸?shù)姆绞剑瑏硖嵘鈧鬏攷挘@種技術(shù)被稱為波長復(fù)用技術(shù)。

除此之外，我們還可以將波分復(fù)用技術(shù)與模分復(fù)用和空分復(fù)用等方式進(jìn)行結(jié)合，利用多種復(fù)用技術(shù)進(jìn)一步提升傳輸帶寬。

聚合體光波導(dǎo)和硅光波導(dǎo)是主要的兩種光波導(dǎo)。

聚合體光波導(dǎo)具有折射率小、傳播延時(shí)低的良好特性。但是由于材料限制，該種波導(dǎo)無法在芯片上進(jìn)行大規(guī)模密集布線，對(duì)于芯片這種需要高度集成且面積有限的場(chǎng)景，此外聚合體光波島需要較高的工作電壓驅(qū)動(dòng)和時(shí)鐘頻率，這在芯片上也將帶來較大的額外驅(qū)動(dòng)電路開銷，因此聚合體光波導(dǎo)并不是理想首選。

硅光波導(dǎo)是一種基于硅晶絕緣體工藝的波導(dǎo)，與聚合體光波導(dǎo)相比，硅光波導(dǎo)可以進(jìn)行較高密度的布線因此有望在有限的芯片面積上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光互連網(wǎng)絡(luò)。

光波導(dǎo)的尺寸、損耗對(duì)光片上互連的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，小尺寸的光波導(dǎo)可以有效降低芯片中所占面積，低損耗有利于降低光片上互連的整體靜態(tài)損耗。通常在片上光互連網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中使用分貝(dB)作為損耗值的度量方式。

(2)微環(huán)諧振器

微環(huán)諧振器(Micro-ring Resonator, MR)在光片上網(wǎng)絡(luò)中具有廣泛應(yīng)用。

微環(huán)諧振器是一個(gè)由波導(dǎo)曲項(xiàng)制成的閉環(huán)光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其諧振波長與制作材料、結(jié)構(gòu)特性、 是否注入電荷或改變溫度有關(guān)。

理論上一個(gè)制作好的微環(huán)諧振器在溫度與控制電壓等外界控制因素不變的情況下，具有穩(wěn)定的諧振波長。

因此它不但可以實(shí)現(xiàn)光波傳輸路徑的轉(zhuǎn)換，也可以用作實(shí)現(xiàn)光片上網(wǎng)絡(luò)中的調(diào)制器與解調(diào)器。需要注意的是一個(gè)微環(huán)諧振器的諧振波長并不是一個(gè)，而在光譜上具有固定波長間隔的一組波長。

微環(huán)諧振器可以進(jìn)一步劃分為寬帶微環(huán)諧振器和窄帶微環(huán)諧振器。

寬帶微環(huán)諧振器可以同時(shí)耦合多個(gè)波長，其自由光譜范圍較小;而窄帶微環(huán)諧振器的自由光譜范圍較大，一般情況下僅可耦合該范圍內(nèi)的某個(gè)單一波長。

在研究中設(shè)計(jì)片上光互連網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可在同一個(gè)片上光互連結(jié)構(gòu)中同時(shí)使用寬帶微環(huán)諧振器和窄帶微環(huán)諧振器。

微環(huán)諧振器可分為有源微環(huán)諧振器和無源微環(huán)諧振器。

有源微環(huán)諧振器受到驅(qū)動(dòng)電路電信號(hào)的控制，在使用過程中可以動(dòng)態(tài)改變諧振波長，在一些片上光路由器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中這種動(dòng)態(tài)調(diào)控有助于實(shí)現(xiàn)更加靈活的路由策略。

從微環(huán)諧振器的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生控制信號(hào)到微環(huán)諧振器實(shí)現(xiàn)諧振波長的轉(zhuǎn)變，這之間需要一定時(shí)間，這一因素將限制光路由器結(jié)構(gòu)處理數(shù)據(jù)分組的速度，進(jìn)而影響光互連網(wǎng)絡(luò)整體性能。

無源微環(huán)諧振器在使用過程中，驅(qū)動(dòng)電路無需較大幅度改變其諧振波長。

微環(huán)諧振器驅(qū)動(dòng)電路的主要作用是避免因芯片溫度變化產(chǎn)生波長漂移，維持諧振波長的穩(wěn)定。

由于無源微環(huán)諧振器不需要改變諧振波長，其更適合基于波長路由的快速光交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的大小受到片上可使用波長數(shù)目以及芯片面積的限制。

(3)調(diào)制器和解調(diào)器

調(diào)制器一般使用微環(huán)諧振器來實(shí)現(xiàn)。

微環(huán)諧振器可以通過注入電荷或改變溫度來實(shí)現(xiàn)諧振波長的轉(zhuǎn)變。當(dāng)將微環(huán)諧振器用作調(diào)制器時(shí)，通過溫度進(jìn)行控制的方式無法實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制，因此通常選擇控制注入電荷來改變環(huán)的折射率，使得特定波長的光可以在不同時(shí)刻以部分耦合的方式進(jìn)入微環(huán)諧振器，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)光的調(diào)制。

調(diào)制器在工作的過程中，將所需要傳輸?shù)碾娦盘?hào)用作微環(huán)諧振器的控制信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息的電光轉(zhuǎn)換。使用不同的微環(huán)諧振器制作一系列的調(diào)制器，則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波長的并行調(diào)制，各個(gè)波長的調(diào)制過程相互不受影響，這是實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用技術(shù)(Wavelength Division Multiplex，WDM)的基礎(chǔ)。除了基于微環(huán)諧振器的PIN 二極管類型調(diào)制器以外，當(dāng)前流行的調(diào)制器還有Mach-Zehnder 基于干涉儀的硅調(diào)制器。

解調(diào)器作為接收器的重要組成部分，其原理是從波導(dǎo)中耦合特定波長的光，完成從光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)為模擬信號(hào)，必須通過跨阻抗放大器 (Transimpedance Amplifier，TIA)將電流放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓0和1，隨后通過電邏輯單元進(jìn)行處理。

IBM的研究人員最早展示了單通道10 Gb/s，總共有16通道CMOS光收發(fā)器，匯總后實(shí)現(xiàn)了160 Gb/s的調(diào)制解調(diào)速率。

隨著調(diào)制解調(diào)器的發(fā)展，片上互連網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的性能也會(huì)隨之提高，能夠有效降低網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)功耗能耗，提升計(jì)算系統(tǒng)整體能效比。

參考文獻(xiàn)

(1)王玥 面向新型存儲(chǔ)的光互連網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究[D].

(2)彭茂榮 2024年半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展議題[C].

(3)劉巍 硅基可重構(gòu)器件及其在光通信中的應(yīng)用研究[D].

(4)朱明月 面向城域數(shù)據(jù)中心之間光互聯(lián)的高速光纖傳輸系統(tǒng)研究[D].

(5)李玉 面向光通信應(yīng)用的近紅外雪崩光電探測(cè)器芯片的研究[D].

(6)袁緯方 面向數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的集成微透鏡光探測(cè)器芯片研究[D].