硅光子技術(shù)全面普及：體驗硅發(fā)光技術(shù)的進展（二）

小型化也取得巨大進展

　　瞄準芯片間光傳輸?shù)牟考囍埔惨呀?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)傳輸容量密度相當于約6.6Tbit/秒/cm2。主要用于負責(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贰?/P>

　　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安裝到芯片上。（攝影：右為PECST）

　　注3）PECST是以在2025年實現(xiàn)“片上數(shù)據(jù)中心”、即在硅芯片上實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心功能為目標成立的研究開發(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)實現(xiàn)。

　　這次發(fā)布具有劃時代的意義，該技術(shù)解決了各元件的尺寸過大、難以實現(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”運輸，而把電傳輸比喻為“鐵路”或“汽車”運輸，如果是跨海的長距離運輸，使用飛機比較合適，但如果只是向幾公里遠的相鄰城市運輸貨物則不適合使用飛機。因為不僅有燃料的問題，飛機起降所需的“機場”也太大。而光傳輸中相當于“機場”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。因為元件面積小的話，元件容量也小。通過推進元件尺寸的小型化，一舉改善了光傳輸?shù)暮碾娏亢图啥冗@兩項課題。

　　圖5：即將實現(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，傳輸容量密度也會提高。目前的最高傳輸容量密度為PECST實現(xiàn)的6.6Tbit/秒/cm2。PECST預(yù)計2013年上半年將實現(xiàn)10Tbit/秒/cm2。

　　開發(fā)獨特的核心技術(shù)群

　　PECST的光收發(fā)器的實現(xiàn)主要依靠四項核心技術(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實現(xiàn)6.6Tbit/秒/cm2傳輸容量密度的技術(shù)要點。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；鍺光敏元件也實現(xiàn)了2