智能像素的應用

由于微光電子集成智能像素集光子集成器件和超大規模集成電路于一體，同時(shí)具有光信號探測、調制、變換、 處理、發(fā)射、傳輸等功能和電信號存儲、放大、邏輯、智能控制等功能。因此微光電子集成智能像素可廣泛應用 于光互連、光交換、信息存儲、信息傳輸、圖像處理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )等方面。

在高速、大容量數據計算和信息通信系統中，系統內部數據計算和信息處理的速度是很快的，而系統的輸入/輸 出速度相對較慢，在輸入和輸出端出現一個(gè)瓶頸，鋁和銅等金屬線(xiàn)很難承擔起高密度互連作用，因此必然提出用 光實(shí)現高密度互連和信息交換。光互連通過(guò)操作半導體激光器、光調制、光接收及光邏輯開(kāi)關(guān)等光子器件，實(shí)現 對光波的強度、相位、波長(cháng)和偏振態(tài)等的變換與控制，將信息加載在光波上，從而完成對信息的處理和傳輸功能 。光互連具有極高的空間和時(shí)間帶寬積、互連密度高、無(wú)接觸性、等程性、不受電磁場(chǎng)干擾和功耗低等許多電互 連所不具備的特點(diǎn)，可以解決電互連的帶寬限制、時(shí)鐘歪斜、串話(huà)、寄生效應、電磁場(chǎng)干擾等圃有缺陷和輸入/輸出速度較慢的瓶頸問(wèn)題，可望取代傳統的電互連技術(shù)構成高速、高密度、可 重構的互連網(wǎng)絡(luò )而成為新一代的互連技術(shù)，以滿(mǎn)足大規模多處理器并行計算機和高速信息通信交換系統的要求。

光互連包括高性能計算機之間、大規模并行多處理器之間、超大規模電路芯片之間，以及芯片內部的互連。光 交換除了這幾方面的數據交換外，還包括通信中的光纖傳輸信息交換。光互連有自由空間光互連和光波導光互連 兩種類(lèi)型。遠距離系統之間光互連多采用光波導光互連，插板之間的光互連、自由空間和光波導光互連均可采用 ;短距離芯片間的光互連可用自由空間光互連來(lái)實(shí)現，芯片內部邏輯門(mén)之間的光互連必須通過(guò)光波導來(lái)實(shí)現。光 互連和光交換必須有相應的開(kāi)關(guān)功能器件，它是實(shí)現光互連和光交換的基本單元。開(kāi)關(guān)器件位于光互連網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn) 處，它根據控制指令，通過(guò)改變光信號的強度、相位、波長(cháng)和偏振等關(guān)鍵信息特征，實(shí)現對光信息的選通和控制 ，光開(kāi)關(guān)器件是光互連和光交換的關(guān)鍵器件，它決定了系統的速率、容量、規模和實(shí)用化程度。SEED智能像素和 VCSEL智能像素為光互連技術(shù)的發(fā)展提供了關(guān)鍵器件。

圖1是SEED智能像素構成的光互連、光交換結構示意圖。16個(gè)光探測器和4個(gè)光調制器由量子阱SEED器件構成， 選通電路和其他邏輯控制電路制作在Si CM0S集成電路芯片上，SEED集成面陣和CMOS芯片通過(guò)倒裝焊接成一體。4 個(gè)光纖通道的輸入光首先經(jīng)過(guò)分束分別照射在16個(gè)光探測器上，經(jīng)過(guò)SEED器件轉換成電信號送入選通電路，選通 的電信號再由SEED光調制器將電信號轉換成光信號傳輸給輸出光纖，整個(gè)信息交換過(guò)程是由光和電共同完成的， 因此它是一種光電Crossbar結構。

美國B(niǎo)ell實(shí)驗室將SEED智能像素應用于光交換系統，取得很大進(jìn)展。1993年報告了第一代光學(xué)數字通信交換網(wǎng)絡(luò ) 實(shí)驗系統。系統為16路輸入32路輸出(32位寬)六級系統，采用自由空間榕樹(shù)Banyan多級互連網(wǎng)絡(luò )，光開(kāi)關(guān)節點(diǎn) 為S-SEED光子集成器件，每一通道的數據傳輸速率約為8 Mb/s，系統數據總吞吐量為128 Mb/s。系統存在著(zhù)損耗大、效率低、速率慢等嚴重缺點(diǎn)。

1994年研制成功了第二代光學(xué)ATM(AsynchrONous Transfer Mode)交換網(wǎng)絡(luò )系統。系統為32路輸入16路輸出五 級系統，系統采用單片集成GaAs FET-SEED智能像素作為(2，1，1)光開(kāi)關(guān)節點(diǎn),由五片4×4節點(diǎn)列陣構成的五 級光交換系統，光開(kāi)關(guān)能量小于100 fJ，對比度為3∶1，每一通道的數據傳輸速率為155 Mb/s，系統數據總吞吐 量為2.5 Gb/s，整個(gè)交換系統尺寸為28 cm×35 cm。

1996年出現了第三代光學(xué)ATM交換網(wǎng)絡(luò )系統，系統為256路輸入、256路輸出的單級光交換系統，采用光電 Crossbar網(wǎng)絡(luò )結構，光開(kāi)關(guān)節點(diǎn)為CMOS-SEED智能像素，SEED陣列倒裝焊在CMOS電路芯片上。每一通道的數據傳 輸速率為155 Mb/s，系統數據總吞吐量為40 Gb/s，是GaAs FET-SEED智能像素構成的五級光交換網(wǎng)絡(luò )系統的16倍 ，而光路及其所需的微光學(xué)機械部件僅為五級交換系統的五分之一。表1對Bell實(shí)驗室完成的SEED光互連系統的性 能進(jìn)行了總結。

表1 Bell實(shí)驗室完成的SEED光互連系統的性能

美國Colorado大學(xué)的研究人員應用CMOS-SEED智能像素和自由空間光互連模塊構成ATM智能光學(xué)平臺。加拿大 McGill大學(xué)的研究人員將CMOS-SEED智能像素應用于印制電路板(PCB)之間的空間光互連，構成光學(xué)數據鏈路和 智能光學(xué)模板。

美國由HP、GE、Honeywell、Motorola等幾大公司牽頭的幾個(gè)大型計劃，日本的東京工業(yè)大學(xué)、NEC公司、NTT光 電實(shí)驗室等，都對VCSEL及其智能像素在光互連系統中的實(shí)用化做了大曩細致的工作。表2列出了幾種基于VCSEL的 光互連系統的性能。

表2 幾種VCSEL光互連系統的性能

GE和Honeywell公司共同研制出了用Polymer作光波導的32通道VCSEL光互連模塊，由于將聚合物(Polymer)光 互連技術(shù)用于光的傳輸媒介，整個(gè)模塊的造價(jià)大幅度下降，工藝流程日趨簡(jiǎn)化穩定。NEO研制的8通道VCSEL列陣插 拔式連接模塊，VCSEL和光纖的耦合損耗約2.1 dB，單個(gè)通道在1 Gb/s的傳輸速率時(shí)誤碼率BER=10-11。他們還研 制了16×16光學(xué)Cross冖bar連接模塊：到，包括1×16通道VCSEL插拔連接器和16×1聚合物光波導耦合連接器，總 損耗約6.7±1.1 dB。NTT研制的40通道板間并行光互連模塊圍，每個(gè)通道傳輸速率700 Mb/s，模塊總數據傳輸速 率超過(guò)25 Gb/s。1×16、1×32系列的VCSEL產(chǎn)品已步入實(shí)用化階段，并已用于A(yíng)TM技術(shù)的交換系統之中。日本東京 工業(yè)大學(xué)以K.Iga為首的研究小組，將VCSEL集成面陣與微透鏡陣列技術(shù)、自對準光學(xué)技術(shù)相結合構成了光互連系 統。