光子CMOS技术

作者：Marek S. Tlalka，Luxtera Inc

历史上对人类通讯方式和通信网络建设能够产生深远影响的新技术是屈指可数的。有的新技术可以对通讯方式带来很大改善，但是对通信网络的组织结构不会有很大改变，还有的新技术不仅对成本降低和性能提高有重大的贡献，而且会带来观念上的转变。模拟传输技术到数字传输技术的转变，铜线到光缆的转变，有线通信技术到无线通信技术的转变，都应属于这类有历史意义的新技术的范畴。今天我们正迎接着又一个这样的突破，那就是光子CMOS技术。

电子学效率
这些年光子CMOS技术一直处于研究状态，人们希望能将光子CMOS技术演进到传统电子CMOS电路技术那样，高集成度，低功耗，低成本。历史上电子技术曾经从二十世纪五十年代风靡一时的分立三极管演化到六十年代原始的集成电路，直到今天由数百万个三极管构成的超大规模集成电路芯片。一直以来，业界都使用摩尔定律来描述这种转变。摩尔定律称：集成电路上集成的三极管数量（该数量可以粗略地代表芯片的处理能力）每18个月会翻一番。

印制板方面的挑战

光子CMOS技术的一个重要难题是如何把光信号引到印制板上。早先的方法是把这个任务放在印制板边缘完成。这么做必须对硅片进行切割，对切割面进行抛光处理，然后在抛光后的表面上加镀防反射膜。对这种器件进行测试首先要把它封装起来，至少半封装一下。这种方法虽然可以用来制造器件，但是产量太低，器件成本高不适合大规模生产。

为了和电子电路一样达到大规模的生产能力，最好可以从印制板表面引入光源。这种方式有诸多优势。首先印制板可以使用标准的光电硅片探针进行测试，可以轻松地标记出合格的印制板送去封装。测试和集成生产效率大大提高。激光器可以被动校准，然后贴在印制板表面为光路提供光源。从接收端光纤中接收来的光可以照到芯片上，用一个嵌入式的光电探测器转化成电信号。
把光信号引入到印制板上最好的方式是使用全息透镜技术。透镜把光波导中的光模的尺寸放大到和光纤截面相匹配的大小。当光到达全息结构的末端时就会被全数注入光纤当中。
挑战在于如何在标准的CMOS硅片生产线上得到这种全息的特性。图片2是一个满足该要求的实现方式。

部署问题
上述的光耦合器使得光子CMOS技术经济上可行，不过对光子CMOS技术物理上实现还是造成了一些局限。光子CMOS技术要在网络中有效应用必须要搞清楚三个限制因素。
第一个限制因素是CMOS对波长大于1300nm的光是透明的。而对1500nm到1600nm之间的光耦合效率最高。所以要使用光子CMOS的转发器最好使用长波长。和该技术最为匹配的光纤通信标准波段是1550nm。这个波段一般用于长途网络中。但是由于光子CMOS技术很高的经济性，这个波长现在也可以用来构造短距离的城域网、企业网和数据中心等。
第二个限制因素是全息透镜的表面区域面积必须和光纤的关键区域的面积高度匹配，因为单模光纤的纤芯面积要比多模光纤的小50倍左右，所以单模光纤最适合光子CMOS应用。使用单模光纤的另外一个优势是单位长度的单模光纤要比多模光纤便宜，这一点可能在业界并非人所共知。
第三个也是最后一个因素是传统的LC接头并不适合用作光子CMOS的物理接口。因为发射端和接收端在印制板上是靠得很近的。如果使用LC接头会迫使工程师人为地扩大印制板的面积，或者把两个单元从空间上分开来。不管使用哪种方式都会增加集成和测试的成本进而增加光子CMOS转发器的成本。

一个更好的选择是使用MT-RJ或者MTP型的接头，这两种接头在光纤通信中使用广泛。各种长度带有MT型连接器的光纤都可以买到，也可以使用现成的工具现场安装该接头。

光子CMOS技术发展现状
上述问题的研究成果在第一个单片集成的波长0.13微米10Gbps转发器中得到了充分的体现。芯片采用标准的CMOS SOI处理工艺。芯片功能可以有多种组合。比如图3的样本器件包含两个等价的XFP转发器，放在同一个印制板和封装内。集成度之高可以和电子电路相比，史无前例。它也证明了高度光子集成的可行性。有了光子CMOS技术，通过增加印制板单位面积上三极管的数量和WDM的波长数量，摩尔定律现在可以同时适用于电子领域和光子领域了。
图3是在单个印制板上集成两个XFP收发器。封装的尺寸小于原来的四分之一。这种转发器单端口的尺寸比传统的XFP模块尺寸的25%还要小。光子CMOS技术会随着端口数的增加而更加经济；而常规的成本因素，如封装、附件和测试的成本等都可以平均到每个端口，多出的端口刚好可以拉平这些成本。这种方法有望把每端口的成本降到同类单端口XFP器件的四分之一。

图3：样本器件，在一个印制板上集成了两个XFP，显示出光子CMOS技术的巨大潜力。

另外，因为光子CMOS转发器是使用低成本的标准制造流程制造的。这种流程更加适合数字电路，所以分立的光转发器只是光子CMOS技术发展的第一个阶段。可以预见在不远的将来，会把多个高速率的光转发器和上百万个数字电路集成在单个芯片中，取代现在把分立的光器件模块或者转发器单独放到电路板上用于系统之间的互联的状况。接下来将会是光的芯片间通信，以至于单片内的光通信。
基于光子CMOS技术的转发器将会在2007年面市。大家马上就要进入一个新时代，丢掉昂贵的使用TOSA/ROSA的光转发器模块，变成基于光子CMOS技术的转发器。新的转发器将使用廉价的单模光纤，运行在1550nm波长窗口。

图2：这种光学分级耦合器的设计使光信号高效地耦合到芯片中，并且大幅节省生产和测试成本。

图1：现今使用带有TOSA、ROSA和相关电子器件的XFP模块印制电路板。

光子学还没有达到硅片上电子电路的高效和廉价。今天的光模块都是由分立的光器件，如激光器、光探测器和相应的电子元件组成的，这些器件组装起来成为发射光组件（TOSA）和接收光组件（ROSA）。这些组件再组合起来和一些分立电子元件一起放在电路板上构成光模块，如XFP或者SFP。这些模块制造起来难度很高，测试效率也很低，可靠性差，ASP和运维成本都比较高。10Gbps的短距离XFP模块现在提供给OEM厂家的批发价为每只300美元。而到了最终用户，价格常常会高出更多。
然而如果光子CMOS商用后，这种情况就不会再出现了。光子CMOS技术可以把光学和电学器件集成起来放在单片CMOS印制板上。光子器件之间通过光波导相互通信，而电子器件之间使用金属互连。
在接收端，器件把光子转换成电子，而发射端则进行相反的变换。直流电流直接用于向电路提供功率，而连续波激光光源则用于向光路提供光功率。现在标准的CMOS不能发光，所以需要把铟磷激光器直接放置在印制板表面。一旦光进入了波导，就被光学器件，比如马赫-曾德尔调制器调制，得到有光/无光的二进制信号。