硅光技术加速实现“太赫兹”技术应用

2019-09-11 Microtest


    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(InGaAsPPhotoDetector)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。



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     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(InGaAsPPhoto 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。( M-TEST有硅光子探针台测试系统

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图1Intel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(VerticalCavity Surface Emitting Laser,VCSEL)、环谐振器调制器 (Ringresonatormodulator,RRM)、马赫-曾德尔调制器(Mach-ZehnderModulator,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。

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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。

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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)


 这里需要特别强调的是这些光学器件的制造工艺是和现有的SOICMOS工艺完全兼容。如图4所示,在同一个硅基衬底上可以同时生成标准的CMOS晶体管以及光导(waveguide)。此外,为了能把外界的光信号导入到芯片内,专门设计的全息透镜也被集成到芯片内(图5)。在光学C波段范围内,该装置具有小于2dB耦合的插入损耗。

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图4基于CMOS工艺的硅光子芯片横截面示意图

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图5luxtera公司所展示全息透镜的显微照片


1.3硅基收发器架构

将以上的所有光学器件融为一体,便构成了硅光子收发器芯片。其基本架构如图6所示。由于所有的光学器件都完全兼容于SOICMOS工艺,因此这些连接光学器件的电路模块,如果跨阻放大器、驱动器、甚至相应的锁相环、时钟同步模块都可以被集成于一个芯片内。Luxtera公司在2007年前后便基本上实现了这一目标,其芯片结构如图7所示。需要指出的是这块芯片的全面积为8mm×5.6mm。其中光学器件,尤其是MZM的面积占去了很大一部分,因此相对高昂的制造成本限制了其在商业领域的大规模应用。近年来为了降低成本,Intel、CISCO、IBM都在使用相对传统的封装技术来集成光学以及电学芯片。图6中所示,光学器件位于一个芯片(SOICMOS)上,另外的电学器件往往采用价格低廉的标准CMOS工艺制成,然后两块芯片间通过引线(wire-bonding)进行结合。


但是需要指出,在军事领域当生产成本不再成为决定一款产品成败的最主要因素的时候,单片集成的硅光子芯片具有广泛的应用价值。


光控相控阵雷达技术在本世纪初就已被提出,我国在这方面也进行过研究。相比于同轴电缆、光纤有很多优势,首先由于光纤的传输损耗比同轴电缆低得多,且对于所有频率信号损耗均相同所以这非常有利于雷达系统的远程控制和雷达信号的远程传输分配。其次由于雷达天线是一个辐射源,极易受到反辐射导弹的袭击,所以天线和雷达主机应尽量远离。而大量同轴电缆的使用使得相控阵雷达的重量体积都直线增加,限制了其在各种作战平台上的部署。

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图6硅光电子收发器芯片典型架构

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图7Luxtera公司2006年展示的完整硅光子芯片

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图8Pharad公司2013年提出的光控相控阵雷达架构


    一个光控相控阵雷达的基本架构可以如图8所示。虽然光纤取代了同轴电缆,但是其中的OE,EO依然基于传统工艺制造。无论是质量、体积、还是系统集成的复杂度都给具体的工程实现带来了很多挑战。而如果能够将硅光子技术应用于光控相控阵雷达。首先在其主机端,光电,电光,甚至是信号产生,信号处理模块(DSP)都可以集成于一个硅基芯片上。而在天线端,放大器(LNA,HPA)也可以和光电电光转化模块集成于每一个单独的硅基芯片上。这样高度集成化的光控相控阵雷达可以给其所应的作战平台带来更多的想象空间。


     太赫兹位于微波与远红外光的过渡频段,其相比于微波雷达具有更高的分辨率、更宽信号带宽、更好的角分辨率、更强的抗干扰能力和反隐身能力;另一方面与激光雷达相比具有更好的搜索能力、更广的覆盖范围和更好的雾穿透能力。因此太赫兹技术在雷达和通信领域的应用引起国内外学术界以及军事领域的广泛关注。太赫兹雷达的主要组成模块有频率源、收发天线、倍频器混频器、频率源、信号处理单元等。与毫米波雷达相比,太赫兹雷达在太赫兹源的产生、传输、收发机的设计上,均采用固态电子学技术,已实现高集成度、小型化的单片集成系统。目前中国工程物理研究院电子工程研究所开发了基于CPU+GPU+FPGA的硬件架构。如上文介绍,可以利用硅光子技术设计高带宽、低功耗、小型化、集成化的基础部件如混频器、倍频器等、甚至设计具有更为复杂运算能力的部件如CPU等。目前已有硅基技术应用于太赫兹光源的产生,而硅光子技术能否应用于太赫兹雷达系统收发单元的设计、太赫兹信号的传输值得进行跨领域的研究。


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