文章來源：半導體全解

原文作者：圓圓De圓

本文介紹了硅光芯片的發展歷史，詳細介紹了硅光通信技術的原理和幾個基本結構單元。

隨著高性能計算等新型應用的發展，芯片所需要處理的數據量不斷增加，人們對芯片處理時效性的要求也越來越高，這就要求芯片架構設計也應該根據應用特性進行相應創新。

傳統以電總線將各個處理器核、處理器核與存儲系統進行互連的方式存在嚴重通信競爭問題，電總線形式的互連逐漸被電互連網絡取代。

然而由于寄生電容的存在，電互連網絡在高速長距離數據通信中將會產生較大的能耗開銷，通信過程中所產生的熱量也對芯片可靠性帶來了挑戰，因此電互聯網絡并非一種適用于所有芯片通信場景的互連形式。

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的形式與現有硅基芯片進行集成，這就使得片上光互連成為一種新的片上互連形式。

面向存儲系統的互連架構搭建逐步由電互連結構發展為光互連結構，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建。

隨著硅光技術的發展，光器件將有更具優勢的性能指標。

面向存儲系統光互連結構設計中涉及幾種重要的基本光學器件，包括用于數據傳輸通路實現的光波導、用于數據傳輸過程中實現路徑轉換的微環諧振器、用于將數據信息在光電兩種形式之間進行轉換的調制器與解調器等。

光器件的研究對于構建面向存儲的互連網絡有著重要的影響，不僅影響到網絡結構的復雜性，也在一定程度上決定了互連網絡性能。

上圖是片上通信系統中使用了一些基本光學元件，包括激光源、調制器、解調器、微環諧振器和光波導。

激光器屬于光發射器件，用來產生通信所需的光波，例如垂直腔面發射激光器源可以實現讓多個不同波長的光源在同一根片上光波導中傳輸。

光波導屬于傳輸器件，負責通信中光信號的傳輸。

調制器負責將電信號調制到光波上，完成從處理器核端或存儲端發送的電信號到光信號的轉換。

調制解調器負責光電信號之間的轉換，使得數據既可以在光鏈路中進行傳輸，也可以在處理器核和存儲模塊中進行處理和存儲，調制器和解調器均將微環諧振器作為主要構成元件。

微環諧振器是一個環形光波導結構。

環形光波導結構具有長、寬、高以及環形半徑等物理參數，這些物理參數將決定微環諧振器的“諧振波長”這一參數。

除了以上物理參數會決定諧振波長外，通過對微環諧振器施加電壓也可以改變諧振波長。因此，不同的微環諧振器可以對不同的波長產生不同的響應特性，且這種響應特性可以通過 電壓或溫度變化進行控制：當傳輸至微環諧振器的波長與微環諧振器的諧振波長相同 時，微環諧振器將耦合該波長，使得該波長的傳輸路徑發生偏轉;當傳輸至歸還諧振器的波長與微環諧振器的諧振波長不同時，該波長不會被微環諧振器耦合，傳輸路徑不發生改變。

無源微環諧振器是預先設置的，并在運行期間保持諧振波長不變;

有源微環諧振器的諧振波長可以通過加熱或感染額外的電子來調整。

寬帶微環諧振器是一種大直徑微環諧振器，可以耦合多個波長。

下面對硅光通信技術的基本結構單元進行進一步說明：

(1)光波導

在硅基芯片上光波導是光信號傳輸的路徑，也“連接”著諸如調制器、解調器和微環諧振器等光器件，實現光信號從一種器件傳輸至另一種器件中。

光波導所扮演的角色與電互連網絡中金屬線的角色相當，與金屬線中傳輸電信號相比，光波導中光信號的傳輸不會因為數據傳輸速率的提升而帶來額外能耗開銷。

結合多個不同的波長可以在同一光波導中進行同時傳輸這一特性，在實現片上光傳輸時，通?？梢酝ㄟ^將電信號調制至不同波長并進行同時傳輸的方式，來提升光傳輸帶寬，這種技術被稱為波長復用技術。

除此之外，我們還可以將波分復用技術與模分復用和空分復用等方式進行結合，利用多種復用技術進一步提升傳輸帶寬。

聚合體光波導和硅光波導是主要的兩種光波導。

聚合體光波導具有折射率小、傳播延時低的良好特性。但是由于材料限制，該種波導無法在芯片上進行大規模密集布線，對于芯片這種需要高度集成且面積有限的場景，此外聚合體光波島需要較高的工作電壓驅動和時鐘頻率，這在芯片上也將帶來較大的額外驅動電路開銷，因此聚合體光波導并不是理想首選。

硅光波導是一種基于硅晶絕緣體工藝的波導，與聚合體光波導相比，硅光波導可以進行較高密度的布線因此有望在有限的芯片面積上實現大規模光互連網絡。

光波導的尺寸、損耗對光片上互連的設計至關重要，小尺寸的光波導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損耗。通常在片上光互連網絡的設計中使用分貝(dB)作為損耗值的度量方式。

(2)微環諧振器

微環諧振器(Micro-ring Resonator, MR)在光片上網絡中具有廣泛應用。

微環諧振器是一個由波導曲項制成的閉環光波導結構，其諧振波長與制作材料、結構特性、 是否注入電荷或改變溫度有關。

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

因此它不但可以實現光波傳輸路徑的轉換，也可以用作實現光片上網絡中的調制器與解調器。需要注意的是一個微環諧振器的諧振波長并不是一個，而在光譜上具有固定波長間隔的一組波長。

微環諧振器可以進一步劃分為寬帶微環諧振器和窄帶微環諧振器。

寬帶微環諧振器可以同時耦合多個波長，其自由光譜范圍較小;而窄帶微環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的某個單一波長。

在研究中設計片上光互連網絡時，可在同一個片上光互連結構中同時使用寬帶微環諧振器和窄帶微環諧振器。

微環諧振器可分為有源微環諧振器和無源微環諧振器。

有源微環諧振器受到驅動電路電信號的控制，在使用過程中可以動態改變諧振波長，在一些片上光路由器結構設計中這種動態調控有助于實現更加靈活的路由策略。

從微環諧振器的驅動電路產生控制信號到微環諧振器實現諧振波長的轉變，這之間需要一定時間，這一因素將限制光路由器結構處理數據分組的速度，進而影響光互連網絡整體性能。

無源微環諧振器在使用過程中，驅動電路無需較大幅度改變其諧振波長。

微環諧振器驅動電路的主要作用是避免因芯片溫度變化產生波長漂移，維持諧振波長的穩定。

由于無源微環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絡設計，此時網絡規模的大小受到片上可使用波長數目以及芯片面積的限制。

(3)調制器和解調器

調制器一般使用微環諧振器來實現。

微環諧振器可以通過注入電荷或改變溫度來實現諧振波長的轉變。當將微環諧振器用作調制器時，通過溫度進行控制的方式無法實現高速調制，因此通常選擇控制注入電荷來改變環的折射率，使得特定波長的光可以在不同時刻以部分耦合的方式進入微環諧振器，這樣就實現了對光的調制。

調制器在工作的過程中，將所需要傳輸的電信號用作微環諧振器的控制信號，進而實現信息的電光轉換。使用不同的微環諧振器制作一系列的調制器，則可以實現對不同波長的并行調制，各個波長的調制過程相互不受影響，這是實現波分復用技術(Wavelength Division Multiplex，WDM)的基礎。除了基于微環諧振器的PIN 二極管類型調制器以外，當前流行的調制器還有Mach-Zehnder 基于干涉儀的硅調制器。

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

IBM的研究人員最早展示了單通道10 Gb/s，總共有16通道CMOS光收發器，匯總后實現了160 Gb/s的調制解調速率。

隨著調制解調器的發展，片上互連網絡架構的性能也會隨之提高，能夠有效降低網絡通信時延、網絡功耗能耗，提升計算系統整體能效比。

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