IBM展示CMOS制程硅光子芯片研发成果

IBM在近日于美国硅谷举行的年度雷射暨电光学(Conference on Lasers and Electro Optics 2015)会议上，展示了号称完全整合的分波多工CMOS硅光子(silicon photonics)芯片，为一种能让光与电并存的廉价、商业化芯片生产技术铺路。上述IBM Research所展示的芯片，是由位于瑞士苏黎世(Zurich)的实验室以及美国纽约州Yorktown Heights的T.J. Watson实验室共同合作，长达15年的硅光子技术研究成果;顾问机构Envisioneering的研究总监Rick Doherty表示，该款100Gbps收发器芯片，以IBM命名为CMOS整合式奈米光子技术(Integrated Nano-Photonics Technology)制作，充分显示IBM在硅光子研究领域的领导地位。硅光子技术的问题一直在于芯片的光学介面，不过IBM的光子解决方案能被应用于系统单芯片(SoC)，以廉价的标准连接器(edge connector)在光学之间传输光，或是只要将CMOS芯片边缘接在一起就能进行芯片对芯片的通讯。IBM目前展示的芯片将4个25Gbps通道──每个通道的波长都略有不同──结合为单一100Gbps通道;Doherty指出：“我看不出IBM如果IBM要添加更多通道会有什么问题，目前的技术至少可以结合8个通道。”

 

 

晶舟(Fab cassette)承装着以IBM整合式奈米光子技术(INPT)制作的CMOS晶圆片切割出来的数百颗100Gbps收发器，在单一芯片中结合了电与光此研究成果得自于在实验室长时间的努力，IBM Research物理科学部门(Physical Sciences)研究总监Supratik Guha表示，该公司从2000年展开硅光子技术研发：“因为我们了解该技术在资料处理方面的所有商机，我们相信研究成果能催生市场上第一款可商业化的、将CMOS与硅光子整合在相同芯片中的产品。”目前该芯片的4个雷射通道──分别以25Gbps的速度在芯片上运作──是以锗(germanium)光学探测器以及光学解多工器(demultiplexers)，将之融合为单一100Gbps电子讯号，在需要时进行处理;该电子讯号能以干涉仪(interferometers)调变四道芯片外的雷射，成为在芯片边缘外行进的光脉冲。IBM Research硅光子部门(Silicon Photonics Group)经理Will Green表示，雷射是由芯片外引入，已进行调变，但最终他们希望能将三五族(III-V)雷射也整合到芯片中。IBM还在着手开发设计套件，让工程师能开发各种不同的应用，从最简单的中继器(repeater)到最复杂的、今日需要许多昂贵离散元件才能组成的光子运作系统。

 

 

IBM的全整合式分波多工CMOS光子芯片，内含四个独立的发射通道(右边的眼图)，有四个不同波长的25Gbps收发器通道(左)，利用芯片上的分波多工器进行结合或分开

Green 表示，IBM的设计套件能让工程师打造各种类型的光子CMOS电路，包括100G乙太网路、大型交换机与其他高速光学通讯应用所需的关键元件：“我们能将收发器与处理器搭配，应用于大型无线网路，甚至也能应用于智慧型手机中，以光纤来操作天线讯号开关。”Guha则表示，IBM的硅光子芯片在资料中心应用中，能扮演可扩充收发(scalable transceiver)器的角色，直接进行两个点的通讯，不须中继器，因此能克服今日VCSEL (vertical cavity surface emitting laser，VCSEL)连结之频宽-距离的限制。他强调：“我们所展示的是该单芯片以分波多工所达成的资料速率，光学滤波器结合与分离多工色彩，就能完成硅光学元件的解多工程序;这一切只要使用任何一座CMOS晶圆厂的硅与电介质制造的单一芯片，搭配以次100奈米(sub-100nm)绝缘上覆硅(silicon-on-insulator)生产的锗薄膜光探测器。”