光子学中的摩尔定律

2015-04-03 giai

 1. 光子芯片发展的复杂度

  微电子学中著名的摩尔定律认为在单片芯片上集成的晶体管数量以指数规律发展,也就是说在过去的四十年中以每两年翻一番的速度进行增长。在光子学中我们也观察到了相似的情况,包括早期阶段。图1和表1显示了基于InP的光子芯片(PICs)发展的复杂度。

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图1  光子芯片复杂度的发展

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表1  光子芯片复杂度的发展

  早期复杂的基于InP的PICs包括1989年由Koren等制作的WDM源,1991年由Cremer等制作的光栅接收机,1992年由Gustavsson等制作的开关阵列,1994年由Kaiser等制作的外差接收机。目前为止报道的最复杂的是基于阵列波导光栅(AWG)的PICs。1988年Smit制作出第一片AWG,随后复杂度不断提高,WDM接收机在1993~1996年间的实现5~10个元件的集成,WDM激光器在1994~1996年间实现10~20个元件的集成,WDM通道选择器在1994~2001年间实现10~20个元件的集成。

  新世纪以来复杂性方面明显增加:WDM接收机和发射机芯片在2003~2005年间集成了44~51个元件。特别是在2006年,Infiner突然报道实现了集成241个元件的40通道WDM发射机。最近的器件包括2009年Nicholes报道的集成超过175个元件的全光可调谐8×8波长路由器,2010年Soares报道的集成超过300个元件的100通道任意波形发生器。最近Infiner报道了迄今最复杂的PIC,即集成超过400个元件的偏振复用正交差分相移键控(PM-DQPSK)发射机。

  图1显示出光子芯片复杂度的增长大致呈现指数规律,但是比微电子具有更多的离散点。如果仅仅看基于AWGs的器件,大部分奇异点将消失,从而呈现明显的光子学摩尔定律。

  2. 光子学和微电子学的差异

  但是,光子学和微电子学中的摩尔定律存在重大的差异。微电子学中用于复杂度计算的器件是商业应用ICs,但是光子学中的器件却仅存在于文献中,而没有实际的市场应用。那么为什么文献中报道的高级PICs在欧洲、美国、远东地区已经具有了二十年的技术积累,还是没有进入市场呢?该问题和目前的项目资助模式有关:技术发展和其应用紧密相关,在没有显著或者重要的应用时就不会获得资助。另外由于各实验室制作光子芯片都是按照自己的技术进行,成本相对较高,还达不到广泛推广应用的要求。这和微电子学中虽然市场广大但是技术体系单一的状况有很大不同。因此光子芯片发展问题的解决方案就是:应用微电子学改变世界的方法到光子学集成中。具体说需要分两步实现:

  第一步,开发几个能够实现广大功能的通用集成技术;

  第二步,开发一些能够开放式获取这些技术的基础性架构。

  3. 通用的光子集成技术

  微电子学中的复杂功能都是通过以不同的数量和结构来组装像晶体管、二极管、电阻、电容、连接器等一系列相当小的标准部件实现的。复杂度从几百个到几十亿个部件的都有。

  光子学中我们可以采取类似的方式。纵观光子回路的功能,可以看出它们一般由以下一些元件组成:激光器、光放大器、调制器、探测器、耦合器、滤波器、复用/分离器等。通过合适的设计这些元件,也可以将其最小化到一系列基本的标准部件。

  作为基本的标准部件我们需要一些被动器件实现光的合成和分束,这样的器件分为波长相关和波长无关两类,前者包括滤波器、波分复用器等,后者包括功分器、耦合器和合束器等。大部分这样的器件可以通过组合不同宽度和长度的被动波导来构成,因此只要集成步骤合适,就可以通过集成被动波导来构造被动器件,比如多模干涉(MMI)耦合器和AWG。另外这些被动器件作为基本的标准部件如果要实现更复杂的功能还应该能对光信号的相位、幅度和偏振态进行控制。

  图2显示了利用通用的InP技术可以实现的功能,包括被动波导器件、相位调制器、半导体光放大器、偏振转化器等四种基本的标准部件。图3显示了一个具有纳秒量级开关速度的集成离散可调谐激光器。

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图2  利用通用的InP技术可以实现的标准部件

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图3  基于AWG的快速调谐激光器的环路方案和显微照片

 通用集成技术的一个优势是:由于具有广大的市场,因此为了在基本标准部件级获取非常高的性能而对这种技术研发进行投资将会是正确的。这也将使得以这样的技术实现的光子环路具有很强的竞争力。当然单个集成技术的高性能不会对每一种应用都适用,就像微电子学中针对高压、高速、高能或者低能等不同的应用类型需要不同的技术。光子学中也需要针对不同类型的应用优化出几种不同的集成技术,从而涵盖绝大部分的应用领域。但是需要的集成技术数量将会远远小于当前所拥有的数量。

  4. 通用的光子学加工模式

  一旦成熟的通用光子学集成技术开发出来之后,就需要一个面向大量用户的低准入门槛。在微电子学软件中,美国的MOSIS和欧洲的EUROPRACTICE提供了低成本的商业加工,包括文档、训练以及设计软件。

  定制的加工模式

  在定制的加工模式中,很多工厂都是租用别人的生产线,同时工厂的生产都是针对特定的消费者及他们特殊的需求。由于这种模式中所有的发展费用都需要消费者来支付,所以实际上是属于消费者的。该模式也使得行业的进入门槛变低,因为可以不用修建自己的超净间,可以通过租用来实施生产。该模式仍然是针对一些特殊应用,因此成本得不到分摊,仍然较微电子行业中的通用技术高出很多。

  ePIXnet

  光子学中还不存在由通用集成技术提供的通用加工模式,其中FP6网络ePIXnet已经走出了第一步。该网络始建于2004年9月,将独立的研究扩展到可以分享昂贵的基础性技术设施的集成研究。该模式可以激发超净间的拥有者将其设备向广大的无设备者开放。这样可以由更多的使用者来分担成本,从而迈出了向集成技术平台发展的第一步。

  集成技术平台

  现在已经确定两种主要的集成技术平台:一是JePPIX,用于基于InP的集成技术,该技术可以提供包括复杂激光器和放大器在内的很多集成功能;二是ePIXfab,用于Si光子学的集成,该技术与CMOS技术兼容,因此其潜在性能较好而且成本较低。第三种平台TriPleX也处于确定之中,它主要用于介质波导技术,可以提供低损耗和高质量的被动器件,也可以提供从可见光到红外整个波段的热光器件。

  多项目晶片

  三个平台都可以通过多项目晶片(MPWs)的方式应用到相应的技术中。MPWs将来自不同用户的测试版本集成到一个单一的晶片上,从而大大减少了芯片设计和研发的成本。

  通用加工模式

  通用加工模式中应该考虑如下一些活动:

  1) 通过完全的或者多项目晶片构建成熟的或归档的商用加工程序。

  2) 开发专用设计软件和元器件库,以便可以快速和精确设计。

  3) 中介服务:辅导和培训对技术不熟悉的使用者。

  4) 创建能够帮助不知道如何设计芯片的用户进行设计的工作室。

  5) 使用通用的测试设备。

  6) 使用通用的封装设备。

  这些活动在ePIXnet集成技术平台上已经进入了研究级的水平,可以考虑引入微电子领域的特殊集成芯片应用(ASICs)到光子学中,从而达到产业级的应用,该方式可以称为特殊光子学集成芯片应用(ASPICs)。

  5. 通用光子学集成技术的前景

  节约设计研发的时间和成本

  通过使用归档的高性能加工过程可以大大减少过程开发的高成本;通过将几个使用者的设计集成到一个单一的MPW上可以大大减少设计开发的成本;通过精确设计软件的使用可以大大减少设计研发周期;通过ASPICs过程的严格控制可以增加器件加工以及封装过程的可靠性,从而增加合格率减少返修率,也就大大减少了测试和质量维护的时间和成本。总的来说相对于传统的加工模式,通用加工模式在中小体积PIC的成本方面将会减少10倍以上。

  性能

  即使通用过程并不是对每一种应用都有效,但是对大部分的应用来说还是具有竞争力的。比如EuroPIC开发的加工过程和PARADIGM过程就是基于已经存在的集成平台技术,可以生产高性能的调谐激光器和高速接收机。表2给出了PARADIGM项目在2014成功完成后各功能模块预期可以达到的性能指标。可以看出它们仍然保持了单个器件的水平。如果几个通用技术可以得到持续的投资相信这些性能将会稳定增长甚至在某些特定应用中比特殊技术更好。

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表2  InP通用加工过程中功能模块预期可以达到的性能指标

市场开发

  迄今为止,PICs主要应用于通信中的一些利基领域,这些领域往往具有普通技术无法满足的性能需求。一旦通用技术使得PICs的成本下降之后,它们在通信接入网等领域也将具有广泛的市场。

  同时随着设计研发和加工成本的降低,PICs在其他领域也将具有广泛的应用。比如光纤传感市场,PICs可以代替大量已经存在的光源、探测器、信号出来回路等模块。还有光学相干层析技术(OCT),传统OCT主要使用800nm窗口用于视网膜诊断,但是对于皮肤和血管诊断来说1500nm波长将是更好的选择,这提供了很好的InP PICs应用于OCT设备的机会。另外还有一类器件应用就是皮秒和飞秒脉冲激光器,PICs可以集成包含任意脉冲整形器的锁模激光器,可以产生广泛的不同应用,比如高速脉冲产生器、时间恢复回路、超快AD转换器和多光子显微镜等。

  以上只是列出了PICs应用中一些例子,一旦ASPICs变得便宜之后它们将会给各类公司提高竞争力提供广泛的机会。

  复杂度的发展

  我们期望在接下来的几年中低成本的商用PICs加工技术能得到应用,从而使得PICs的市场份额快速增加。但是也不希望芯片复杂度随之大大增加。首先被动器件中不可避免的损耗将会限制可以级联的元件数量,主动器件中由于热沉散热量的限制也使得其集成数量最多也就几百个。其次由于基本的功能模块和处理回路仍然以模拟方式运转,因此信号在大量元件中传输必然会导致噪声累积导致信号失真从而需要进行信号再生,集成信号再生器将会消耗空间和功率。因此我们预期芯片的饱和复杂度维持在单芯片1000个元件左右,如图4的“Generic InP”曲线所示。当然这并不意味这光子学芯片的复杂度将终止于该水平。

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图4  光子集成芯片(PICs)复杂度发展的理想曲线

  6. 下一代通用集成技术

  薄膜技术可以通过高的垂直折射率差将光限制在薄膜层内,因此由它构成的器件尺寸将会更小,很多情况下,尺寸越小意味着速度越快功率消耗越低,因此薄膜技术最有望成为下一代通用集成技术。最近几年硅薄膜技术在性能和成熟度上已经取得了较大的进展。最近的研究展示了SiGe技术在制作高速调制器和探测器方面的可行性。硅基PICs的主要问题仍然是光的产生和放大。在硅光子学中获得单片集成光源方面已经提出了一些有趣的想法,包括使用多孔硅,硅纳米晶体,掺铒硅和GeSn。最近MIT展示了在硅中高N掺杂Ge的材料中可以获得增益。但是迄今为止这种方式制作的激光器的性能远远赶不上基于GaAs和InP的带隙性半导体激光器。因此硅薄膜集成平台致力于使用Ⅲ-Ⅴ激光器。图5演示了4种不同的组合方式。

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图5  在硅光子集成芯片中产生光的四种方式

  图5(a)是MIT采取的一种方式,光通过外部光源耦合到硅薄膜中,该方式在片上互联网中具有最短的路径,但是其扩展性较差,而且没有集成光源其复杂度也受到了限制,迄今为止该方式报道的最高复杂度是每片86个元件。

  图5(b)是IMEC,LETI和COBRA采用的方式,将激光器和探测器制作在沉积于硅薄膜顶上的Ⅲ-Ⅴ中,然后光通过一个薄的低折射率层传入硅层中。该方式中很难得到有效的光耦合。

  图5(c)是UCSB和Intel采用的稍微不同的方式,将有源Ⅲ-Ⅴ层直接沉积到硅薄膜中,通过原子结合可以使该硅波导具有增益。该方式中光从有源层到被动层的耦合仍然很难,因为所需要的高限制和高耦合效率是一对矛盾。

  图5(d)是我们采用的方式,将硅薄膜换成了InP薄膜(IMOS),通过亚微米尺度的选择性再生技术在薄膜中进行优先结合构造局部的有源区。该方式在一个薄膜中实现了主动和被动功能,它们之间的耦合也不再是问题。另外该方式中关于基底的校准问题也得到缓和。同时由于使用了较厚的聚合层来结合InP薄膜和基底,因此实现时是独立于表面形态的。这对于将来将IMOS光子集成回路和CMOS电路进行结合将是很重要的。

  InP薄膜的光学性能和硅薄膜的性能非常相似。我们已经利用IMOS技术制作很多高质量的被动器件,如图6所示:损耗7dB/cm的光子线,5μm弯曲半径损耗可忽略的曲线波导,损耗仅0.6dB的MMI耦合器,Q因子大于15000的环形滤波器,长度4μm包含整个L/C/S波段的偏振转换器。

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图6  被动IMOS器件

 但是为了获得可用于光子学集成平台的完整的器件系列,还需要利用该技术开发更多的器件。最重要的是激光器和放大器等主动器件。图7显示了一个盘状的有源区,半径为250nm,包含4个设计激发波长为1.55μm的量子阱,该有源区已经实现了光发射。为了获得半导体激光器的全部优势,还需要电子注入,该方式正在研究中。

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图7  再生之前的亚微米有源区

  IMOS技术结合了经典的InP光子学和经典的硅光子学,最终它将在不需要高功率的领域广泛的代替InP光子器件。同时由于在光产生和放大方面硅光子器件无能为力,因此IMOS也将占据这些领域。

  由于薄膜器件更小的尺寸和功率消耗,我们预期能够有效集成光源和放大器的薄膜技术所允许的芯片集成复杂度将比经典InP技术高一个数量级,如图4中“membrane”曲线所示。

  7. 集成技术的最终形式

  当光子集成达到了大规模集成(LSI,>10000)或者超大规模集成(VLSI,>1000000)水平,必然出现由模拟信号处理向数字信号处理的转变。

  一个全光数字信息处理系统包含:具备完整布尔运算体系并可以级联用于任何数字运算的器件和器件系列。这些器件必需具备微型尺寸,能够被密集集成,能够用集成回路技术进行互连(也意味必需具备低功率需求),必需能够以相对于电子学更高的速度运转。虽然过去40年里大家都致力于制作符合上述要求的器件,但是由于缺乏快的、坚固的、低功率光学非线性的材料,因此并没有实现高速、复杂、集成的数字光学处理器。

  激光器具有适合数字运算的非线性光学特性,而且也可以作为光学信号的光源。微纳激光器还具有小尺寸、低功率。因此能够在一块芯片上集成较多的数量并具有高速运转的潜能,也能够相互耦合实现数字功能。

  小型化是低功率激光器实现高速数字运算的关键问题。由于衍射的限制,绝缘介质腔到达最小光学模式尺寸时整个激光器仍然具有几个波长的尺寸。为了进一步减小器件尺寸,可以使用金属制作激光谐振腔,该方式可以使器件尺寸在2个或者3个维度上小于一个波长。金属激光器在低功率下可以具有THz的调制或者弛豫振荡频率。该特性使得数字光子器件在高性能应用中可以媲美于电子器件。

  过去很长时间内认为金属纳米腔的损耗很大,但是近期实验证明金属制作的纳米激光谐振腔不仅可以使得激光器的整个尺寸小于一个波长,而且光学模式尺寸也会被减小到衍射极限以下。

  图8显示了我们的特殊结构,在一个薄的绝缘体中刻蚀一对具有非同性结构的柱子,然后再用一厚的惰性金属层将整个结构包起来。柱子的直径大约260nm,包含一高度为300nm的InGaAs有源区。柱子中的InGaAs非同性结构和金属构成谐振腔,在低温下该谐振腔实现了1400nm的激光激发,阈值电流在77K时是6μA。

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图8  金属纳米激光器

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图9  通过封装非同性结构实现的MIM波导

  上述非同性结构方式中通过改变柱子形状可以制作波导,比如在一片长的薄正方形柱子中刻蚀相同的结构。将整个柱子用金属包起来之后形成了所谓的金属-绝缘体-金属(MIM)波导。MIM波导是少数几种真正允许光的亚波长限制和传输的结构之一,光可以在任意的薄绝缘体区域传输,如图9所示。

 使用MIM波导可以有效的将激光耦合到传统介质波导或者其他被动或主动性带隙等离子模式波导中。理论显示通过传统的集成光学可以将MIM波导制成很多普通的波导器件,比如分束器、光栅等。另外MIM波导不仅可以将光限制在亚波长范围内传输,而且具有非常紧凑的封装密度。

  理论上,使用MIM波导可以构造小尺寸、高质量模式重叠、低质量因子的激光器,使激发激光的调制带宽在THz量级,抽运功率几十毫瓦。如此小体积、高速和低功率的激光器将构成集成数字光子学处理系统的基础。原则上在单片芯片上集成超过100000个这样的激光器是可行的,这将把我们带入到光子学的VLSI时代。另外等离子的纳米激光器也有望用于推进激光器尺寸的小型化。

  8. 结  论

  本文讨论了由于微电子和光子学集成技术的巨大差别而使得摩尔定律不能应用到光子学中的观点。对于今天的光子集成技术来说该观点确实是对的。但是正是由于不同的最大原因是由于光子集成技术中没有取得和微电子学一样的成本优势,所以必需尽可能地排除这些不同之后才能得到正确的结论。应用微电子学的方法学到光子学中,可以期望PICs的设计研发和生产成本将大大降低,它们将在通信、数据处理、传感、医学设备、度量学、光子消费产品等领域取得突破性的广泛应用。这也将加速更多高级集成技术的发展从而最终将我们带入超大规模光子集成芯片(VLSI PICs)时代。