光子CMOS技術(shù)

歷史上對(duì)人類通訊方式和通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)能夠產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的新技術(shù)是屈指可數(shù)的。有的新技術(shù)可以對(duì)通訊方式帶來很大改善，但是對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)不會(huì)有很大改變，還有的新技術(shù)不僅對(duì)成本降低和性能提高有重大的貢獻(xiàn)，而且會(huì)帶來觀念上的轉(zhuǎn)變。模擬傳輸技術(shù)到數(shù)字傳輸技術(shù)的轉(zhuǎn)變，銅線到光纜的轉(zhuǎn)變，有線通信技術(shù)到無線通信技術(shù)的轉(zhuǎn)變，都應(yīng)屬于這類有歷史意義的新技術(shù)的范疇。今天我們正迎接著又一個(gè)這樣的突破，那就是光子CMOS技術(shù)。

電子學(xué)效率

這些年光子CMOS技術(shù)一直處于研究狀態(tài)，人們希望能將光子CMOS技術(shù)演進(jìn)到傳統(tǒng)電子CMOS電路技術(shù)那樣，高集成度，低功耗，低成本。歷史上電子技術(shù)曾經(jīng)從二十世紀(jì)五十年代風(fēng)靡一時(shí)的分立三極管演化到六十年代原始的集成電路，直到今天由數(shù)百萬個(gè)三極管構(gòu)成的超大規(guī)模集成電路芯片。一直以來，業(yè)界都使用摩爾定律來描述這種轉(zhuǎn)變。摩爾定律稱：集成電路上集成的三極管數(shù)量（該數(shù)量可以粗略地代表芯片的處理能力）每18個(gè)月會(huì)翻一番。
 
 
圖1：現(xiàn)今使用帶有TOSA、ROSA和相關(guān)電子器件的XFP模塊印制電路板。 

光子學(xué)還沒有達(dá)到硅片上電子電路的高效和廉價(jià)。今天的光模塊都是由分立的光器件，如激光器、光探測器和相應(yīng)的電子元件組成的，這些器件組裝起來成為發(fā)射光組件（TOSA）和接收光組件（ROSA）。這些組件再組合起來和一些分立電子元件一起放在電路板上構(gòu)成光模塊，如XFP或者SFP。這些模塊制造起來難度很高，測試效率也很低，可靠性差，ASP和運(yùn)維成本都比較高。10Gbps的短距離XFP模塊現(xiàn)在提供給OEM廠家的批發(fā)價(jià)為每只300美元。而到了最終用戶，價(jià)格常常會(huì)高出更多。

然而如果光子CMOS商用后，這種情況就不會(huì)再出現(xiàn)了。光子CMOS技術(shù)可以把光學(xué)和電學(xué)器件集成起來放在單片CMOS印制板上。光子器件之間通過光波導(dǎo)相互通信，而電子器件之間使用金屬互連。

在接收端，器件把光子轉(zhuǎn)換成電子，而發(fā)射端則進(jìn)行相反的變換。直流電流直接用于向電路提供功率，而連續(xù)波激光光源則用于向光路提供光功率�，F(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)的CMOS不能發(fā)光，所以需要把銦磷激光器直接放置在印制板表面。一旦光進(jìn)入了波導(dǎo)，就被光學(xué)器件，比如馬赫-曾德爾調(diào)制器調(diào)制，得到有光/無光的二進(jìn)制信號(hào)。

印制板方面的挑戰(zhàn)

光子CMOS技術(shù)的一個(gè)重要難題是如何把光信號(hào)引到印制板上。早先的方法是把這個(gè)任務(wù)放在印制板邊緣完成。這么做必須對(duì)硅片進(jìn)行切割，對(duì)切割面進(jìn)行拋光處理，然后在拋光后的表面上加鍍防反射膜。對(duì)這種器件進(jìn)行測試首先要把它封裝起來，至少半封裝一下。這種方法雖然可以用來制造器件，但是產(chǎn)量太低，器件成本高不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

為了和電子電路一樣達(dá)到大規(guī)模的生產(chǎn)能力，最好可以從印制板表面引入光源。這種方式有諸多優(yōu)勢。首先印制板可以使用標(biāo)準(zhǔn)的光電硅片探針進(jìn)行測試，可以輕松地標(biāo)記出合格的印制板送去封裝。測試和集成生產(chǎn)效率大大提高。激光器可以被動(dòng)校準(zhǔn)，然后貼在印制板表面為光路提供光源。從接收端光纖中接收來的光可以照到芯片上，用一個(gè)嵌入式的光電探測器轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。

把光信號(hào)引入到印制板上最好的方式是使用全息透鏡技術(shù)。透鏡把光波導(dǎo)中的光模的尺寸放大到和光纖截面相匹配的大小。當(dāng)光到達(dá)全息結(jié)構(gòu)的末端時(shí)就會(huì)被全數(shù)注入光纖當(dāng)中。
挑戰(zhàn)在于如何在標(biāo)準(zhǔn)的CMOS硅片生產(chǎn)線上得到這種全息的特性。圖片2是一個(gè)滿足該要求的實(shí)現(xiàn)方式。

部署問題

上述的光耦合器使得光子CMOS技術(shù)經(jīng)濟(jì)上可行，不過對(duì)光子CMOS技術(shù)物理上實(shí)現(xiàn)還是造成了一些局限。光子CMOS技術(shù)要在網(wǎng)絡(luò)中有效應(yīng)用必須要搞清楚三個(gè)限制因素。

第一個(gè)限制因素是CMOS對(duì)波長大于1300nm的光是透明的。而對(duì)1500nm到1600nm之間的光耦合效率最高。所以要使用光子CMOS的轉(zhuǎn)發(fā)器最好使用長波長。和該技術(shù)最為匹配的光纖通信標(biāo)準(zhǔn)波段是1550nm。這個(gè)波段一般用于長途網(wǎng)絡(luò)中。但是由于光子CMOS技術(shù)很高的經(jīng)濟(jì)性，這個(gè)波長現(xiàn)在也可以用來構(gòu)造短距離的城域網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心等。

第二個(gè)限制因素是全息透鏡的表面區(qū)域面積必須和光纖的關(guān)鍵區(qū)域的面積高度匹配，因?yàn)閱文９饫w的纖芯面積要比多模光纖的小50倍左右，所以單模光纖最適合光子CMOS應(yīng)用。使用單模光纖的另外一個(gè)優(yōu)勢是單位長度的單模光纖要比多模光纖便宜，這一點(diǎn)可能在業(yè)界并非人所共知。

第三個(gè)也是最后一個(gè)因素是傳統(tǒng)的LC接頭并不適合用作光子CMOS的物理接口。因?yàn)榘l(fā)射端和接收端在印制板上是靠得很近的。如果使用LC接頭會(huì)迫使工程師人為地?cái)U(kuò)大印制板的面積，或者把兩個(gè)單元從空間上分開來。不管使用哪種方式都會(huì)增加集成和測試的成本進(jìn)而增加光子CMOS轉(zhuǎn)發(fā)器的成本。

一個(gè)更好的選擇是使用MT-RJ或者M(jìn)TP型的接頭，這兩種接頭在光纖通信中使用廣泛。各種長度帶有MT型連接器的光纖都可以買到，也可以使用現(xiàn)成的工具現(xiàn)場安裝該接頭。

光子CMOS技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

上述問題的研究成果在第一個(gè)單片集成的波長0.13微米10Gbps轉(zhuǎn)發(fā)器中得到了充分的體現(xiàn)。芯片采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS SOI處理工藝。芯片功能可以有多種組合。比如圖3的樣本器件包含兩個(gè)等價(jià)的XFP轉(zhuǎn)發(fā)器，放在同一個(gè)印制板和封裝內(nèi)。集成度之高可以和電子電路相比，史無前例。它也證明了高度光子集成的可行性。有了光子CMOS技術(shù)，通過增加印制板單位面積上三極管的數(shù)量和WDM的波長數(shù)量，摩爾定律現(xiàn)在可以同時(shí)適用于電子領(lǐng)域和光子領(lǐng)域了。

圖3是在單個(gè)印制板上集成兩個(gè)XFP收發(fā)器。封裝的尺寸小于原來的四分之一。這種轉(zhuǎn)發(fā)器單端口的尺寸比傳統(tǒng)的XFP模塊尺寸的25%還要小。光子CMOS技術(shù)會(huì)隨著端口數(shù)的增加而更加經(jīng)濟(jì)；而常規(guī)的成本因素，如封裝、附件和測試的成本等都可以平均到每個(gè)端口，多出的端口剛好可以拉平這些成本。這種方法有望把每端口的成本降到同類單端口XFP器件的四分之一。

圖3：樣本器件，在一個(gè)印制板上集成了兩個(gè)XFP，顯示出光子CMOS技術(shù)的巨大潛力。

另外，因?yàn)楣庾覥MOS轉(zhuǎn)發(fā)器是使用低成本的標(biāo)準(zhǔn)制造流程制造的。這種流程更加適合數(shù)字電路，所以分立的光轉(zhuǎn)發(fā)器只是光子CMOS技術(shù)發(fā)展的第一個(gè)階段�？梢灶A(yù)見在不遠(yuǎn)的將來，會(huì)把多個(gè)高速率的光轉(zhuǎn)發(fā)器和上百萬個(gè)數(shù)字電路集成在單個(gè)芯片中，取代現(xiàn)在把分立的光器件模塊或者轉(zhuǎn)發(fā)器單獨(dú)放到電路板上用于系統(tǒng)之間的互聯(lián)的狀況。接下來將會(huì)是光的芯片間通信，以至于單片內(nèi)的光通信。

基于光子CMOS技術(shù)的轉(zhuǎn)發(fā)器將會(huì)在2007年面市。大家馬上就要進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代，丟掉昂貴的使用TOSA/ROSA的光轉(zhuǎn)發(fā)器模塊，變成基于光子CMOS技術(shù)的轉(zhuǎn)發(fā)器。新的轉(zhuǎn)發(fā)器將使用廉價(jià)的單模光纖，運(yùn)行在1550nm波長窗口。

圖2：這種光學(xué)分級(jí)耦合器的設(shè)計(jì)使光信號(hào)高效地耦合到芯片中，并且大幅節(jié)省生產(chǎn)和測試成本。