硅光通信技术的原理和基本结构

文章来源：半导体全解

原文作者：圆圆De圆

本文介绍了硅光芯片的发展历史，详细介绍了硅光通信技术的原理和几个基本结构单元。

随着高性能计算等新型应用的发展，芯片所需要处理的数据量不断增加，人们对芯片处理时效性的要求也越来越高，这就要求芯片架构设计也应该根据应用特性进行相应创新。

传统以电总线将各个处理器核、处理器核与存储系统进行互连的方式存在严重通信竞争问题，电总线形式的互连逐渐被电互连网络取代。

然而由于寄生电容的存在，电互连网络在高速长距离数据通信中将会产生较大的能耗开销，通信过程中所产生的热量也对芯片可靠性带来了挑战，因此电互联网络并非一种适用于所有芯片通信场景的互连形式。

随着硅光制造工艺与CMOS 制造工艺日趋成熟，一些重要的硅光器件可以通过2.5D或3D的形式与现有硅基芯片进行集成，这就使得片上光互连成为一种新的片上互连形式。

面向存储系统的互连架构搭建逐步由电互连结构发展为光互连结构，光互连由于其高带宽、低功耗等特性更有利于特定需求下访存互连的构建。

随着硅光技术的发展，光器件将有更具优势的性能指标。

面向存储系统光互连结构设计中涉及几种重要的基本光学器件，包括用于数据传输通路实现的光波导、用于数据传输过程中实现路径转换的微环谐振器、用于将数据信息在光电两种形式之间进行转换的调制器与解调器等。

光器件的研究对于构建面向存储的互连网络有着重要的影响，不仅影响到网络结构的复杂性，也在一定程度上决定了互连网络性能。

上图是片上通信系统中使用了一些基本光学元件，包括激光源、调制器、解调器、微环谐振器和光波导。

激光器属于光发射器件，用来产生通信所需的光波，例如垂直腔面发射激光器源可以实现让多个不同波长的光源在同一根片上光波导中传输。

光波导属于传输器件，负责通信中光信号的传输。

调制器负责将电信号调制到光波上，完成从处理器核端或存储端发送的电信号到光信号的转换。

调制解调器负责光电信号之间的转换，使得数据既可以在光链路中进行传输，也可以在处理器核和存储模块中进行处理和存储，调制器和解调器均将微环谐振器作为主要构成元件。

微环谐振器是一个环形光波导结构。

环形光波导结构具有长、宽、高以及环形半径等物理参数，这些物理参数将决定微环谐振器的“谐振波长”这一参数。

除了以上物理参数会决定谐振波长外，通过对微环谐振器施加电压也可以改变谐振波长。因此，不同的微环谐振器可以对不同的波长产生不同的响应特性，且这种响应特性可以通过 电压或温度变化进行控制：当传输至微环谐振器的波长与微环谐振器的谐振波长相同 时，微环谐振器将耦合该波长，使得该波长的传输路径发生偏转;当传输至归还谐振器的波长与微环谐振器的谐振波长不同时，该波长不会被微环谐振器耦合，传输路径不发生改变。

无源微环谐振器是预先设置的，并在运行期间保持谐振波长不变;

有源微环谐振器的谐振波长可以通过加热或感染额外的电子来调整。

宽带微环谐振器是一种大直径微环谐振器，可以耦合多个波长。

下面对硅光通信技术的基本结构单元进行进一步说明：

(1)光波导

在硅基芯片上光波导是光信号传输的路径，也“连接”着诸如调制器、解调器和微环谐振器等光器件，实现光信号从一种器件传输至另一种器件中。

光波导所扮演的角色与电互连网络中金属线的角色相当，与金属线中传输电信号相比，光波导中光信号的传输不会因为数据传输速率的提升而带来额外能耗开销。

结合多个不同的波长可以在同一光波导中进行同时传输这一特性，在实现片上光传输时，通常可以通过将电信号调制至不同波长并进行同时传输的方式，来提升光传输带宽，这种技术被称为波长复用技术。

除此之外，我们还可以将波分复用技术与模分复用和空分复用等方式进行结合，利用多种复用技术进一步提升传输带宽。

聚合体光波导和硅光波导是主要的两种光波导。

聚合体光波导具有折射率小、传播延时低的良好特性。但是由于材料限制，该种波导无法在芯片上进行大规模密集布线，对于芯片这种需要高度集成且面积有限的场景，此外聚合体光波岛需要较高的工作电压驱动和时钟频率，这在芯片上也将带来较大的额外驱动电路开销，因此聚合体光波导并不是理想首选。

硅光波导是一种基于硅晶绝缘体工艺的波导，与聚合体光波导相比，硅光波导可以进行较高密度的布线因此有望在有限的芯片面积上实现大规模光互连网络。

光波导的尺寸、损耗对光片上互连的设计至关重要，小尺寸的光波导可以有效降低芯片中所占面积，低损耗有利于降低光片上互连的整体静态损耗。通常在片上光互连网络的设计中使用分贝(dB)作为损耗值的度量方式。

(2)微环谐振器

微环谐振器(Micro-ring Resonator, MR)在光片上网络中具有广泛应用。

微环谐振器是一个由波导曲项制成的闭环光波导结构，其谐振波长与制作材料、结构特性、 是否注入电荷或改变温度有关。

理论上一个制作好的微环谐振器在温度与控制电压等外界控制因素不变的情况下，具有稳定的谐振波长。

因此它不但可以实现光波传输路径的转换，也可以用作实现光片上网络中的调制器与解调器。需要注意的是一个微环谐振器的谐振波长并不是一个，而在光谱上具有固定波长间隔的一组波长。

微环谐振器可以进一步划分为宽带微环谐振器和窄带微环谐振器。

宽带微环谐振器可以同时耦合多个波长，其自由光谱范围较小;而窄带微环谐振器的自由光谱范围较大，一般情况下仅可耦合该范围内的某个单一波长。

在研究中设计片上光互连网络时，可在同一个片上光互连结构中同时使用宽带微环谐振器和窄带微环谐振器。

微环谐振器可分为有源微环谐振器和无源微环谐振器。

有源微环谐振器受到驱动电路电信号的控制，在使用过程中可以动态改变谐振波长，在一些片上光路由器结构设计中这种动态调控有助于实现更加灵活的路由策略。

从微环谐振器的驱动电路产生控制信号到微环谐振器实现谐振波长的转变，这之间需要一定时间，这一因素将限制光路由器结构处理数据分组的速度，进而影响光互连网络整体性能。

无源微环谐振器在使用过程中，驱动电路无需较大幅度改变其谐振波长。

微环谐振器驱动电路的主要作用是避免因芯片温度变化产生波长漂移，维持谐振波长的稳定。

由于无源微环谐振器不需要改变谐振波长，其更适合基于波长路由的快速光交换网络设计，此时网络规模的大小受到片上可使用波长数目以及芯片面积的限制。

(3)调制器和解调器

调制器一般使用微环谐振器来实现。

微环谐振器可以通过注入电荷或改变温度来实现谐振波长的转变。当将微环谐振器用作调制器时，通过温度进行控制的方式无法实现高速调制，因此通常选择控制注入电荷来改变环的折射率，使得特定波长的光可以在不同时刻以部分耦合的方式进入微环谐振器，这样就实现了对光的调制。

调制器在工作的过程中，将所需要传输的电信号用作微环谐振器的控制信号，进而实现信息的电光转换。使用不同的微环谐振器制作一系列的调制器，则可以实现对不同波长的并行调制，各个波长的调制过程相互不受影响，这是实现波分复用技术(Wavelength Division Multiplex，WDM)的基础。除了基于微环谐振器的PIN 二极管类型调制器以外，当前流行的调制器还有Mach-Zehnder 基于干涉仪的硅调制器。

解调器作为接收器的重要组成部分，其原理是从波导中耦合特定波长的光，完成从光信号到电信号的转换，转换后的电信号为模拟信号，必须通过跨阻抗放大器 (Transimpedance Amplifier，TIA)将电流放大并转换为数字电压0和1，随后通过电逻辑单元进行处理。

IBM的研究人员最早展示了单通道10 Gb/s，总共有16通道CMOS光收发器，汇总后实现了160 Gb/s的调制解调速率。

随着调制解调器的发展，片上互连网络架构的性能也会随之提高，能够有效降低网络通信时延、网络功耗能耗，提升计算系统整体能效比。

参考文献

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