智能像素的應(yīng)用

由于微光電子集成智能像素集光子集成器件和超大規(guī)模集成電路于一體，同時具有光信號探測、調(diào)制、變換、 處理、發(fā)射、傳輸?shù)裙δ芎碗娦盘柎鎯?、放大、邏輯?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/智能">智能控制等功能。因此微光電子集成智能像素可廣泛應(yīng)用 于光互連、光交換、信息存儲、信息傳輸、圖像處理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方面。

在高速、大容量數(shù)據(jù)計算和信息通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)計算和信息處理的速度是很快的，而系統(tǒng)的輸入/輸 出速度相對較慢，在輸入和輸出端出現(xiàn)一個瓶頸，鋁和銅等金屬線很難承擔(dān)起高密度互連作用，因此必然提出用 光實現(xiàn)高密度互連和信息交換。光互連通過操作半導(dǎo)體激光器、光調(diào)制、光接收及光邏輯開關(guān)等光子器件，實現(xiàn) 對光波的強度、相位、波長和偏振態(tài)等的變換與控制，將信息加載在光波上，從而完成對信息的處理和傳輸功能 。光互連具有極高的空間和時間帶寬積、互連密度高、無接觸性、等程性、不受電磁場干擾和功耗低等許多電互 連所不具備的特點，可以解決電互連的帶寬限制、時鐘歪斜、串話、寄生效應(yīng)、電磁場干擾等圃有缺陷和輸入/輸出速度較慢的瓶頸問題，可望取代傳統(tǒng)的電互連技術(shù)構(gòu)成高速、高密度、可 重構(gòu)的互連網(wǎng)絡(luò)而成為新一代的互連技術(shù)，以滿足大規(guī)模多處理器并行計算機和高速信息通信交換系統(tǒng)的要求。

光互連包括高性能計算機之間、大規(guī)模并行多處理器之間、超大規(guī)模電路芯片之間，以及芯片內(nèi)部的互連。光 交換除了這幾方面的數(shù)據(jù)交換外，還包括通信中的光纖傳輸信息交換。光互連有自由空間光互連和光波導(dǎo)光互連 兩種類型。遠(yuǎn)距離系統(tǒng)之間光互連多采用光波導(dǎo)光互連，插板之間的光互連、自由空間和光波導(dǎo)光互連均可采用 ;短距離芯片間的光互連可用自由空間光互連來實現(xiàn)，芯片內(nèi)部邏輯門之間的光互連必須通過光波導(dǎo)來實現(xiàn)。光 互連和光交換必須有相應(yīng)的開關(guān)功能器件，它是實現(xiàn)光互連和光交換的基本單元。開關(guān)器件位于光互連網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 處，它根據(jù)控制指令，通過改變光信號的強度、相位、波長和偏振等關(guān)鍵信息特征，實現(xiàn)對光信息的選通和控制 ，光開關(guān)器件是光互連和光交換的關(guān)鍵器件，它決定了系統(tǒng)的速率、容量、規(guī)模和實用化程度。SEED智能像素和 VCSEL智能像素為光互連技術(shù)的發(fā)展提供了關(guān)鍵器件。

圖1是SEED智能像素構(gòu)成的光互連、光交換結(jié)構(gòu)示意圖。16個光探測器和4個光調(diào)制器由量子阱SEED器件構(gòu)成， 選通電路和其他邏輯控制電路制作在Si CM0S集成電路芯片上，SEED集成面陣和CMOS芯片通過倒裝焊接成一體。4 個光纖通道的輸入光首先經(jīng)過分束分別照射在16個光探測器上，經(jīng)過SEED器件轉(zhuǎn)換成電信號送入選通電路，選通 的電信號再由SEED光調(diào)制器將電信號轉(zhuǎn)換成光信號傳輸給輸出光纖，整個信息交換過程是由光和電共同完成的， 因此它是一種光電Crossbar結(jié)構(gòu)。

美國Bell實驗室將SEED智能像素應(yīng)用于光交換系統(tǒng)，取得很大進(jìn)展。1993年報告了第一代光學(xué)數(shù)字通信交換網(wǎng)絡(luò) 實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)為16路輸入32路輸出(32位寬)六級系統(tǒng)，采用自由空間榕樹Banyan多級互連網(wǎng)絡(luò)，光開關(guān)節(jié)點 為S-SEED光子集成器件，每一通道的數(shù)據(jù)傳輸速率約為8 Mb/s，系統(tǒng)數(shù)據(jù)總吞吐量為128 Mb/s。系統(tǒng)存在著損耗大、效率低、速率慢等嚴(yán)重缺點。

1994年研制成功了第二代光學(xué)ATM(AsynchrONous Transfer Mode)交換網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)為32路輸入16路輸出五 級系統(tǒng)，系統(tǒng)采用單片集成GaAs FET-SEED智能像素作為(2，1，1)光開關(guān)節(jié)點,由五片4×4節(jié)點列陣構(gòu)成的五 級光交換系統(tǒng)，光開關(guān)能量小于100 fJ，對比度為3∶1，每一通道的數(shù)據(jù)傳輸速率為155 Mb/s，系統(tǒng)數(shù)據(jù)總吞吐 量為2.5 Gb/s，整個交換系統(tǒng)尺寸為28 cm×35 cm。

1996年出現(xiàn)了第三代光學(xué)ATM交換網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，系統(tǒng)為256路輸入、256路輸出的單級光交換系統(tǒng)，采用光電 Crossbar網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，光開關(guān)節(jié)點為CMOS-SEED智能像素，SEED陣列倒裝焊在CMOS電路芯片上。每一通道的數(shù)據(jù)傳 輸速率為155 Mb/s，系統(tǒng)數(shù)據(jù)總吞吐量為40 Gb/s，是GaAs FET-SEED智能像素構(gòu)成的五級光交換網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的16倍 ，而光路及其所需的微光學(xué)機械部件僅為五級交換系統(tǒng)的五分之一。表1對Bell實驗室完成的SEED光互連系統(tǒng)的性 能進(jìn)行了總結(jié)。

表1 Bell實驗室完成的SEED光互連系統(tǒng)的性能

美國Colorado大學(xué)的研究人員應(yīng)用CMOS-SEED智能像素和自由空間光互連模塊構(gòu)成ATM智能光學(xué)平臺。加拿大 McGill大學(xué)的研究人員將CMOS-SEED智能像素應(yīng)用于印制電路板(PCB)之間的空間光互連，構(gòu)成光學(xué)數(shù)據(jù)鏈路和 智能光學(xué)模板。

美國由HP、GE、Honeywell、Motorola等幾大公司牽頭的幾個大型計劃，日本的東京工業(yè)大學(xué)、NEC公司、NTT光 電實驗室等，都對VCSEL及其智能像素在光互連系統(tǒng)中的實用化做了大曩細(xì)致的工作。表2列出了幾種基于VCSEL的 光互連系統(tǒng)的性能。

表2 幾種VCSEL光互連系統(tǒng)的性能

GE和Honeywell公司共同研制出了用Polymer作光波導(dǎo)的32通道VCSEL光互連模塊，由于將聚合物(Polymer)光 互連技術(shù)用于光的傳輸媒介，整個模塊的造價大幅度下降，工藝流程日趨簡化穩(wěn)定。NEO研制的8通道VCSEL列陣插 拔式連接模塊，VCSEL和光纖的耦合損耗約2.1 dB，單個通道在1 Gb/s的傳輸速率時誤碼率BER=10-11。他們還研 制了16×16光學(xué)Cross冖bar連接模塊：到，包括1×16通道VCSEL插拔連接器和16×1聚合物光波導(dǎo)耦合連接器，總 損耗約6.7±1.1 dB。NTT研制的40通道板間并行光互連模塊圍，每個通道傳輸速率700 Mb/s，模塊總數(shù)據(jù)傳輸速 率超過25 Gb/s。1×16、1×32系列的VCSEL產(chǎn)品已步入實用化階段，并已用于ATM技術(shù)的交換系統(tǒng)之中。日本東京 工業(yè)大學(xué)以K.Iga為首的研究小組，將VCSEL集成面陣與微透鏡陣列技術(shù)、自對準(zhǔn)光學(xué)技術(shù)相結(jié)合構(gòu)成了光互連系 統(tǒng)。