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(guī)模集成電路于一體，同時具有光信號探測、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、圖像處理和神經網絡等方面。

在高速、大容量數據計算和信息通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)內部數據計算和信息處理的速度是很快的，而系統(tǒng)的輸入/輸 出速度相對較慢，在輸入和輸出端出現一個瓶頸，鋁和銅等金屬線很難承擔起高密度互連作用，因此必然提出用 光實現高密度互連和信息交換。光互連通過操作半導體激光器、光調制、光接收及光邏輯開關等光子器件，實現 對光波的強度、相位、波長和偏振態(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間帶寬積、互連密度高、無接觸性、等程性、不受電磁場干擾和功耗低等許多電互 連所不具備的特點，可以解決電互連的帶寬限制、時鐘歪斜、串話、寄生效應、電磁場干擾等圃有缺陷和輸入/輸出速度較慢的瓶頸問題，可望取代傳統(tǒng)的電互連技術構成高速、高密度、可 重構的互連網絡而成為新一代的互連技術，以滿足大規(guī)模多處理器并行計算機和高速信息通信交換系統(tǒng)的要求。

光互連包括高性能計算機之間、大規(guī)模并行多處理器之間、超大規(guī)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 兩種類型。遠距離系統(tǒng)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實現，芯片內部邏輯門之間的光互連必須通過光波導來實現。光 互連和光交換必須有相應的開關功能器件，它是實現光互連和光交換的基本單元。開關器件位于光互連網絡節(jié)點 處，它根據控制指令，通過改變光信號的強度、相位、波長和偏振等關鍵信息特征，實現對光信息的選通和控制 ，光開關器件是光互連和光交換的關鍵器件，它決定了系統(tǒng)的速率、容量、規(guī)模和實用化程度。SEED智能像素和 VCSEL智能像素為光互連技術的發(fā)展提供了關鍵器件。

圖1是SEED智能像素構成的光互連、光交換結構示意圖。16個光探測器和4個光調制器由量子阱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芯片通過倒裝焊接成一體。4 個光纖通道的輸入光首先經過分束分別照射在16個光探測器上，經過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，整個信息交換過程是由光和電共同完成的， 因此它是一種光電Crossbar結構。

美國Bell實驗室將SEED智能像素應用于光交換系統(tǒng)，取得很大進展。1993年報告了第一代光學數字通信交換網絡 實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)為16路輸入32路輸出(32位寬)六級系統(tǒng)，采用自由空間榕樹Banyan多級互連網絡，光開關節(jié)點 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(tǒng)數據總吞吐量為128 Mb/s。系統(tǒng)存在著損耗大、效率低、速率慢等嚴重缺點。

1994年研制成功了第二代光學ATM(AsynchrONous Transfer Mode)交換網絡系統(tǒng)。系統(tǒng)為32路輸入16路輸出五 級系統(tǒng)，系統(tǒng)采用單片集成GaAs FET-SEED智能像素作為(2，1，1)光開關節(jié)點,由五片4×4節(jié)點列陣構成的五 級光交換系統(tǒng)，光開關能量小于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(tǒng)數據總吞吐 量為2.5 Gb/s，整個交換系統(tǒng)尺寸為28 cm×35 cm。

1996年出現了第三代光學ATM交換網絡系統(tǒng)，系統(tǒng)為256路輸入、256路輸出的單級光交換系統(tǒng)，采用光電 Crossbar網絡結構，光開關節(jié)點為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(tǒng)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絡系統(tǒng)的16倍 ，而光路及其所需的微光學機械部件僅為五級交換系統(tǒng)的五分之一。表1對Bell實驗室完成的SEED光互連系統(tǒng)的性 能進行了總結。

表1 Bell實驗室完成的SEED光互連系統(tǒng)的性能

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

美國由HP、GE、Honeywell、Motorola等幾大公司牽頭的幾個大型計劃，日本的東京工業(yè)大學、NEC公司、NTT光 電實驗室等，都對VCSEL及其智能像素在光互連系統(tǒng)中的實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(tǒng)的性能。

表2 幾種VCSEL光互連系統(tǒng)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 互連技術用于光的傳輸媒介，整個模塊的造價大幅度下降，工藝流程日趨簡化穩(wěn)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，單個通道在1 Gb/s的傳輸速率時誤碼率BER=10-11。他們還研 制了16×16光學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，每個通道傳輸速率700 Mb/s，模塊總數據傳輸速 率超過25 Gb/s。1×16、1×32系列的VCSEL產品已步入實用化階段，并已用于ATM技術的交換系統(tǒng)之中。日本東京 工業(yè)大學以K.Iga為首的研究小組，將VCSEL集成面陣與微透鏡陣列技術、自對準光學技術相結合構成了光互連系 統(tǒng)。