eng
Выпуск #2/2012
М.Белкин, А.Сигов
Исследование проблем при создании оптических межсоединений
Исследование проблем при создании оптических межсоединений
Просмотры: 10274
Преимущества оптоэлектронного подхода позволяют сделать вывод о его перспективности для замены электрических межсоединений в кремниевых ИС. Однако при его широком внедрении возникают серьезные технико-экономические проблемы. Этот подход, известный уже более 20 лет, все еще находится на начальной стадии технологического развития в части его применения в гибридных ИС и монолитных ИС.
Теги: hybrid and monolithic ic interconnection optoelectronic approach technical and economic issues гибридные и монолитные ис межсоединения оптоэлектронный подход технико-экономические проблемы
В связи с необходимостью дополнительных электрооптических и оптико-электрических преобразований, не имеющих пока высокой технической и экономической эффективности, разрабатываются новые технологии оптоэлектронных межсоединений, однако они более дороги в сравнении с традиционным подходом. Промышленное внедрение таких технологий связано с поиском путей совершенствования параметров преобразователей и преимуществ, которые скомпенсируют увеличение стоимости. Можно сформулировать некоторые наиболее важные проблемы начального этапа реализации оптических межсоединений, связанные с оптоэлектронной компонентной базой и с оптическим трактом.
Проблемы, связанные с оптоэлектронной компонентной базой
Как известно, наибольшая эффективность электрооптического преобразования в высокоскоростных цифровых волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) достигается с помощью полупроводникового лазерного излучателя (ПЛИ), а оптико-электрических – с помощью фотодиода p-i-n-структуры. С точки зрения модуляции и детектирования цифровых сигналов амплитуда модулирующего сигнала со стандартно применяемой в ИС системой логических уровней достаточна для качественной передачи сигналов, т.е. требуется схема драйвера ПЛИ минимальной сложности. Из-за снижающейся с повышением скорости эффективности двух преобразований типичная амплитуда электрического сигнала на выходе фотодиода не превышает единиц милливольт. Следовательно, для согласования со входом ИС требуется несколько каскадов усиления, особенность которых – высокие требования к широкополосности, коэффициенту шума и линейности.
Упрощение их можно обеспечить при использовании фотодиодов с предельно малой выходной емкостью, что реализуется за счет уменьшения площади кристалла и контактов и согласуется с тенденцией развития оптических межсоединений. В частности, в p-i-n фотодиоде на материалах А3В5 с емкостью 50 фФ размах выходного напряжения при приведенной энергии принятого оптического сигнала 10 фДж/бит (например, порог чувствительности – 10 дБм при скорости 10 Гбит/с) составляет более 100 мВ [1]. Уменьшение при данном уровне энергии общей емкости фотодиода до 3 фФ приведет к увеличению размаха выходного напряжения до 1 В, достаточного, чтобы запитать последующие цифровые каскады без дополнительного усиления. Такой подход позволяет упростить схему межсоединения и сократить время ее готовности к работе. Он вполне реалистичен, поскольку для вышеуказанной емкости площадь кристалла p-i-n фотодиода составляет примерно 5 × 5 мкм. Фотодиоды даже меньшей площади (2 × 2 мкм) с полосой более 100 ГГц уже более 15 лет назад созданы в исследовательских лабораториях [2].
Требуется также совершенствование передающего узла соединительной линии, поскольку широко используемые в ВОСП полупроводниковые лазеры с торцевым излучением вследствие больших размеров резонатора и относительно большой потребляемой мощности в данном случае непригодны. В качестве кандидатов для замены рассматриваются: светодиоды (СИД) и поверхностно излучающие лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL), причем оцениваются два варианта модуляции: непосредственно током инжекции и внешний с помощью квантоворазмерного электроабсорбционного модулятора (КЭАМ) [1].
Достоинства СИД – простота и экономичность структуры, отсутствие проблем модовой и поляризационной стабильности лазерного режима. К основным недостаткам, мешающим применять их в межсоединениях, можно отнести ограниченное быстродействие, слабую эффективность канализации и приема излучения с помощью высокоскоростных фотодетекторов с малым диаметром фоточувствительного окна, поскольку его диаграмма излучения близка к 180˚. Это предопределило потерю интереса к ним. Возможно, интерес снова возрастет при переходе к МИС, когда решающую роль будет играть экономичность.
Для демонстрации пространственно плотных оптических соединений наиболее интенсивно используется КЭАМ [3]. Его основные достоинства – высокая скорость модуляции (до 100 Гбит/с и выше), низкая амплитуда управляющего напряжения, возможность применения в качестве фотодетектора, совместимость с широко используемой в ИС кремниевой КМОП-технологией.
В передающем узле КЭАМ осуществляет пассивную функцию внешнего управления интенсивностью источника излучения, в качестве которого наибольшие перспективы имеет VCSEL. Его основные достоинства [4]:
низкий пороговый ток генерации (1,0–1,5 мА);
малая мощность потребления (в 5–10 раз меньше, чем лазера с торцевым излучением);
пространственная симметричность и малая расходимость выходного луча (10–15˚ против 30–40˚ в лазере с торцевым излучением);
существенно меньшая температурная зависимость порогового тока и крутизны энергетической характеристики;
простота обеспечения одночастотного режима;
относительно широкая полоса непрерывной перестройки длины волны (5–10 нм);
экономичность за счет возможности тестирования при производстве на пластине.
Тем не менее, с точки зрения использования в межсоединениях, данный тип лазерного излучателя не свободен от ряда недостатков. Наиболее серьезные из них:
недостаточно малый пороговый ток (должен составлять десятые доли миллиампер);
время задержки включения, которое при передаче цифровой последовательности зависит от предыдущего символа;
склонность к возбуждению пространственных мод и изменению состояния поляризации в зависимости от тока смещения, особенно при высоких температурах, что вызывает нестабильность детектируемой мощности и генерацию паразитных оптических сигналов;
трудность точной генерации на заданной длине волны, определяемой размерами его оптического резонатора и контролируемой с погрешностью до нескольких процентов, что недостаточно при пространственном распределении оптических каналов с помощью дифракционной оптики.
Перспективным решением первой проблемы считается использование нанолазера с субмикронным оптическим резонатором и сверхмалым размером активной области, формируемой на основе квантовых ям либо квантовых точек (КЯ, КТ). В этом случае обеспечиваются требуемый пороговый ток и достаточно малая мощность потребления при мощности излучения порядка десятков микроватт. Один из подходов к созданию таких нанорезонаторных структур состоит в использовании фотонных кристаллов (ФК), которые могут обеспечить достаточно жесткое ограничение по свету в малом объеме [5]. Такая резонаторная система еще более эффективна при интеграции ее с КЯ- либо КТ-наноструктурами за счет минимизации тока прозрачности материала при одновременном увеличении оптического усиления [6].
Вторая проблема, связанная с задержкой включения, составляющей в VCSEL сотни пикосекунд [7] и влияющей на работу лазера уже при скоростях в несколько гигабит в секунду, может быть решена за счет выбора рабочей точки в достаточной степени над порогом с учетом температурных колебаний порогового тока. Возникающее повышенное потребление может быть уменьшено за счет использования описанного выше нанолазера.
Интересным решением третьей проблемы может стать введение составного оптического резонатора с применением внутри него некруглых в сечении ограничительных элементов различной конфигурации, например, туннельных переходов [4].
Последняя проблема может быть решена, например, изменением толщины эпитаксиального слоя внутри резонатора VCSEL при помощи встроенной микрооптоэлектромеханической системы (МОЭМС) [4], но эта технология пока является исследовательской.
Проблемы, связанные с оптическим трактом
В качестве оптического тракта, соединяющего передающий и приемный узлы внутри и между несколькими ИС, рассматривается воздушная среда на базе системы микролинз либо интегральный оптический волновод. Последний должен быть выполнен на основе кремния в МИС или полимерного материала в ГИС, обеспечивающих на волне 1,3 мкм минимальные потери на уровне 0,05 дБ/см и на волне 1,55 мкм – 0,07 дБ/см [8].
Основное достоинство первого варианта – простота технологии, возможность высокоэффективного пространственного согласования с апертурами лазера и фотодиода. Однако серьезный недостаток по сравнению со вторым вариантом – невозможность интеграции всей конструкции, что ограничивает его применение относительно небольшой плотностью линий. Более перспективен – второй вариант, развивающийся последние 6–7 лет для обоих типов ИС на базе кремниевой фотоники [9]. В его рамках разрабатываются совместимые с КМОП-технологией активная и пассивная интегральные компонентные базы и оптоэлектронные ИС повышенной степени интеграции. Три проблемы новой технологии непосредственно относятся к оптическим межсоединениям: надежная и эффективная стыковка активных компонентов с интегральными оптическими волноводами, пространственная коммутация оптических каналов, создание интегральных устройств для их эффективного мульти- и демультиплексирования.
Первые две проблемы характеризуются отсутствием надежной оптико-механической технологии, обеспечивающей точную и эффективную стыковку сформированного на кристалле кремния оптического волноводного тракта с источниками и приемниками излучения и коммутацию введенных в разветвленный волноводный тракт оптических каналов. Перспективным решением для данных направлений считается использование МОЭМС [10].
Третья проблема связана с повышением пропускной способности межсоединения за счет спектрального разделения каналов (СРК), что широко используется в современных ВОСП. В системах с СРК сложение оптических сигналов источников на передающей стороне и их спектральное разделение на приемной стороне осуществляются при помощи мультиплексоров и демультиплексоров. Эти устройства уже реализованы в ВОСП на базе волоконных световодов и канальных интегральных волноводов, которые в связи с большими габаритами не подходят для межсоединений. Перспективным вариантом является ФК-технология [11]. Однако до ее внедрения необходимо решить проблемы относительно больших потерь и отражений оптического излучения в двумерных ФК, а также низкой добротности, выражающейся в чрезмерно широкой полосе ФК-фильтров.
Исследование компонентной базы оптических межсоединений
Работы по изучению оптических межсоединений ведутся с 2011 года в рамках НИР "Исследование функциональных элементов оптоэлектронных и оптических ИС на основе фотонных кристаллов для перспективных телекоммуникационных систем" по целевой программе Минобрнауки РФ "Развитие научного потенциала высшей школы 2009–2011 гг.". Цель их состояла в оценке перспектив применения оптических межсоединений в ГИС и МИС следующих поколений, а также в изучении моделирования данного узла и специфичной компонентной базы для его реализации. Исследования выполнялись с использованием опыта лаборатории по разработке компонентной базы и устройств для телекоммуникационных ВОСП различного назначения.
Поиск оптимального программного продукта для моделирования узлов оптического межсоединения показал отсутствие универсальной САПР для анализа вышеописанных проблем. В связи с этим моделирование проводилось с помощью специализированной оптоэлектронной САПР VPItransmission Maker, схемотехнической электронной САПР AWR Design Environment (обе США) и оптической САПР OptiFDTD фирмы Optiwave Software (Канада).
Узел оптического межсоединения
Проектирование такого узла высокоскоростной цифровой ИС проводилось с помощью САПР VPItransmission Maker. Пример имитационной модели структурной схемы с использованием кварцевого интегрально-оптического волновода представлен на рис.1. В измерительной схеме передающий тракт построен на базе моделей генератора псевдослучайной последовательности, драйвера, обеспечивающего непосредственную модуляцию по интенсивности со скоростью 10 Гбит/с, и одномодового лазера VCSEL 3, работающего в спектральном диапазоне 1,55±0,03 мкм. Для учета отражений при вводе-выводе оптического излучения волновод расположен между двумя полупрозрачными зеркалами. Прошедшее волновод модулированное излучение поступает в приемный тракт, содержащий модели фотодиода, выполняющего оптико-электрическое преобразование, фильтра нижних частот, обеспечивающего оптимальное отношение сигнал/шум, и идеального регенератора сигналов. На выходе регенератора установлена модель прибора 9, 10, реализующего измерение коэффициента ошибок. Остальные элементы выполняют служебные функции.
Поскольку все электрические элементы схемы выбраны идеальными, исследовалось только влияние передаточных и шумовых характеристик оптоэлектронных компонентов и оптического волноводного тракта. В частности, на рис.2 представлена зависимость коэффициента ошибок от волноводной дисперсии, а на рис.3 – зависимость от длины волновода и коэффициента отражения (R) его торцов. На рисунках проведена горизонтальная линия на уровне 10-12, характеризующая стандартный максимальный уровень коэффициента ошибок в пассивных волоконно-оптических сетях передачи данных со скоростью 10 Гбит/с (XG-PON по рекомендации МСЭ-Т G.987).
Кривые соответствуют результатам для локальных ВОСП, и их ход объясняется различными физическими эффектами. В частности, повышение коэффициента ошибок при близких к нулю значениях дисперсии (см. рис.2) вызвано перегрузкой оптического приемника вследствие малого затухания в оптическом волноводе. Искажения сигнала при увеличении хроматической дисперсии приводят к повышению коэффициента ошибок. Можно сделать вывод, что требуемое качество передачи обеспечивается при дисперсии, не превышающей 20 нс/м2, что соответствует ее типичному значению для кварцевого волокна в третьем окне прозрачности.
Увеличение коэффициента ошибок с уменьшением длины оптического волновода (см. рис.3) также объясняется перегрузкой приемного тракта. При одинаковой длине его наибольшие значения получаются для непросветленных торцов оптического волновода ( R = 0,2 ) и уменьшаются по мере их просветления, т.е. уменьшения коэффициентов отражения. Эффект известен, например, в когерентных ВОСП и объясняется влиянием дополнительного шума интенсивности в резонаторе Фабри-Перо, образованном двумя параллельными зеркалами (см. рис.1). В оптических межсоединениях его предельное уменьшение – серьезная проблема, которая должна быть разрешена при проектировании ИС. Из рис.3 можно сделать следующие выводы:
если не применять мер по уменьшению отражений от торцов оптического волновода, его длина должна быть не менее 5 см;
в третьем окне прозрачности при скорости передачи сигнала 10 Гбит/с увеличение длины волновода не приводит к росту коэффициента ошибок вплоть до длины 20 см.
Оптоэлектронная
компонентная база
Серьезным недостатком САПР VPItransmission Maker при проектировании высокоскоростных цифровых ВОСП является использование модели VCSEL на базе одномодовых скоростных уравнений, содержащих более 20 неподдающихся прямым измерениям электрофизических и оптико-физических параметров, и простейшей RC-модели фотодиода, работающей в малосигнальном режиме. Это нереально для цифровых ВОСП, к классу которых принадлежит рассматриваемое оптическое межсоединение в ИС. С помощью данной САПР принципиально невозможно обеспечить корректный анализ и оптимизацию аппаратурных узлов, содержащих быстродействующие оптоэлектронные компоненты, аналоговые и цифровые электронные каскады, что соответствует принципам построения узлов оптических межсоединений.
Предложена бесструктурная нелинейная модель VCSEL [12]. Исходными данными для нее служат результаты измерения статической и динамической характеристик электрооптического преобразования и отражения по модулирующему входу испытуемого образца. Эффект электрооптического преобразования в активной области лазера моделируется с использованием метода эквивалентного напряжения, заключающегося в представлении его реальной ватт-амперной характеристики (ВтАХ) в виде эквивалентной вольт-амперной характеристики активной электрической цепи. Подход, использующий идентичность связи тока и напряжения в электрических цепях и тока и оптической мощности в оптоэлектронных цепях [13], дает возможность моделировать при помощи высокоразвитой электронной САПР, например, AWR Design Environment (AWRDE).
Модель представлена на рис.4. Она разделена на две секции: линейную цепь и нелинейный эквивалентный преобразователь (НЭП) тока в напряжение. Секция НЭП содержит идеальный управляемый напряжением источник тока и библиотечный элемент LOOKUP программы AWRDE, представляющий собой таблицу соответствия, в которой осуществляется преобразование входных данных в выходные. В ходе моделирования в этот элемент заносятся данные измерения ВтАХ лазера. Компьютерная реализация линейной секции в виде физической эквивалентной схемы (ФЭС) показана на рис.5. Преимущество ФЭС заключается в том, что каждый ее элемент имеет ясную физическую интерпретацию. Для определения реальной частотно-модуляционной характеристики в ФЭС введен идеальный управляемый напряжением источник напряжения U1.
С целью обеспечения сквозного проектирования узла оптического межсоединения с помощью той же САПР реализована нелинейная модель фотодиодного модуля (рис.6), использующая аналогичный принцип построения [14]. В данной ФЭС каждый элемент, как на рис.5, имеет четкую физическую интерпретацию. В модели учитываются следующие эффекты:
нелинейность емкости обедненного слоя фотодиода;
частотные искажения вследствие влияния паразитных элементов кристалла фотодиода и предварительного усилителя;
отражение при вводе оптического излучения;
темновой ток фотодиода и его зависимость от температуры и напряжения смещения;
генерация постоянного фототока вследствие воздействия оптической несущей;
изменение глубины модуляции оптической несущей;
увеличение обратного смещения фотодиода вследствие падения напряжения на последовательном сопротивлении (R1, рис.6) в режиме большого сигнала.
Оптическая компонентная база
Объектом рассмотрения специфичных элементов оптической компонентной базы узла оптического межсоединения в ИС, обеспечивающих повышение его пропускной способности, является фотонно-кристаллический (ФК) спектральный демультиплексор. Цель предварительных исследований состояла в изучении принципов его построения и возможностей выделения оптических каналов с относительно плотным спектральным разнесением. Для моделирования использовался двумерный фотонный кристалл размерами 11 × 11 мкм с квадратной решеткой диэлектрических наностержней диаметром 200 нм. Разработка демультиплексора основывалась на изменении поперечных размеров волноводных каналов и внесении внутрь их дополнительных дефектных наностержней различного радиуса. Подбор геометрических параметров модели проводился из анализа карт фотонных запрещенных зон. Моделирование выполнялось с помощью САПР OptiFDTD фирмы Optiwave Software (Канада), в которой для анализа уравнений Максвелла использвался метод конечных разностей во временной области.
Моделирование [15] проводилось на базе телекоммуникационного стандарта IEEE 802.3 40GBASE-LR4, согласно которому сигналы передаются во втором окне прозрачности на четырех длинах волн с разносом 20 нм: 1270, 1290, 1310 и 1330 нм. Пример распределения электромагнитного поля в волноводах графически представлен на рис.7, а в таблице приведены численные значения развязки по выходам при разносе оптических несущих 60, 40 и 20 нм. Из нее следует: чем меньше шаг между рабочими длинами волн, тем сложнее осуществить их спектральное разделение с достаточным уровнем развязки. В первую очередь это связано с широкополосностью одного из фильтров.
В целом можно сделать следующие выводы.
Оптоэлектронный подход, обеспечивая решение проблемы электрических межсоединений в высокоскоростных ИС, наиболее перспективен по сравнению с другими физическими и технологическими принципами: охлаждением кристаллов, применением сверхпроводящих линий, многослойных подложек, внешней разводки, трехмерной этажерочной конструкции.
Развитые на базе данного подхода оптические межсоединения обладают рядом геометрических, дизайнерских, параметрических и производственных преимуществ.
На пути широкого внедрения оптической технологии существуют серьезные проблемы, которые можно охарактеризовать как связанные с компонентной базой и с оптическом трактом. Одними из важных компонентов и узлов распределительного оптического тракта, требующих дальнейшего изучения, являются поверхностно излучающий лазер с вертикальным микрорезонатором (VCSEL), электроабсорбционный модулятор, фотодиод с малой емкостью, спектральный мультиплексор/демультиплексор на базе фотоннокристаллических структур.
Литература
Miller D.A.B. Device Requirements for Optical Interconnects to Silicon Chips. Proceedings of the IEEE, 2009, v.97, №7, p.1166–1185.
Wey Y.-G., et al. 110-GHz GaInAs/InP double heterostructure p-i-n photodetectors. IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, 1995, v. 13, No. 7, p. 1490-1499.
Moontragoon P. et al. SnGe symmetric Quantum Well Electroabsorption Modulators for Long-Wave Silicon Photonics. – IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2010, v.16, №1, p.100–105.
Koyama F. Advances of VCSEL Photonics for Optical Interconnects. – 10th IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology, ICSICT, 2010, p.1223–1226.
Akahane Y. et al. High-Q photonic nanocavity in a two-dimensional photonic crystal. – Nature, 2003, 425, p.944–947.
Noda S. Applied physics: Seeking the ultimate nanolaser. – Science, 2006, 314, p.260–261.
Белкин М.Е., Белкин Л.М. Исследование характеристики времени задержки включения поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором. – Нано- и микросистемная техника, 2010, №11, с.51–54.
Yeniay A., Gao R.Y., Takayama K., Gao R.F. and Garito A.F. Ultra-low-loss polymer waveguides. – IEEE Journal of Lightwave Technology, 2004, v.22, №1, p.154–158.
Soref R. The Past, Present, and Future of Silicon Photonics. – IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2006, v.12, №6, p.1678–1687.
Noell W. et al. Applications of SOI-based optical MEMS. – IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2002, v.8, №1, p.148–154.
Photonic Crystals: Physics and Technology (Ed. C. Sibilia, T.M. Benson, M. Marciniak, T. Szoplik) Springer-Verlag Italia, 2008.
Белкин Л.М., Белкин М.Е. Бесструктурная модель поверхностно излучающего лазера с полосой модуляции в СВЧ-диапазоне. – Нано- и микросистемная техника, 2011, № 10, с.9–17.
Belkin M., Belkin L. Sigov A. et al. Performances of Microwave-Band Analog Signal Transmission using Wafer-Fused Long Wavelength VCSELs. – IEEE Photonics Technology Letters, 2011, v.23, №20, p.1463–1465.
Belkin M.E. Multiscale Computer Aided Design of Microwave-Band P-I-N Photodetectors. In book Photodetector / Ed. by S. Gateva. – Croatia: InTech, 2012.
Бахвалова Т.Н., Белкин М.Е. Моделирование фотонно-кристаллического спектрального демультиплексора. – Нано- и микросистемная техника, 2012, №1, с.27–30.
Проблемы, связанные с оптоэлектронной компонентной базой
Как известно, наибольшая эффективность электрооптического преобразования в высокоскоростных цифровых волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) достигается с помощью полупроводникового лазерного излучателя (ПЛИ), а оптико-электрических – с помощью фотодиода p-i-n-структуры. С точки зрения модуляции и детектирования цифровых сигналов амплитуда модулирующего сигнала со стандартно применяемой в ИС системой логических уровней достаточна для качественной передачи сигналов, т.е. требуется схема драйвера ПЛИ минимальной сложности. Из-за снижающейся с повышением скорости эффективности двух преобразований типичная амплитуда электрического сигнала на выходе фотодиода не превышает единиц милливольт. Следовательно, для согласования со входом ИС требуется несколько каскадов усиления, особенность которых – высокие требования к широкополосности, коэффициенту шума и линейности.
Упрощение их можно обеспечить при использовании фотодиодов с предельно малой выходной емкостью, что реализуется за счет уменьшения площади кристалла и контактов и согласуется с тенденцией развития оптических межсоединений. В частности, в p-i-n фотодиоде на материалах А3В5 с емкостью 50 фФ размах выходного напряжения при приведенной энергии принятого оптического сигнала 10 фДж/бит (например, порог чувствительности – 10 дБм при скорости 10 Гбит/с) составляет более 100 мВ [1]. Уменьшение при данном уровне энергии общей емкости фотодиода до 3 фФ приведет к увеличению размаха выходного напряжения до 1 В, достаточного, чтобы запитать последующие цифровые каскады без дополнительного усиления. Такой подход позволяет упростить схему межсоединения и сократить время ее готовности к работе. Он вполне реалистичен, поскольку для вышеуказанной емкости площадь кристалла p-i-n фотодиода составляет примерно 5 × 5 мкм. Фотодиоды даже меньшей площади (2 × 2 мкм) с полосой более 100 ГГц уже более 15 лет назад созданы в исследовательских лабораториях [2].
Требуется также совершенствование передающего узла соединительной линии, поскольку широко используемые в ВОСП полупроводниковые лазеры с торцевым излучением вследствие больших размеров резонатора и относительно большой потребляемой мощности в данном случае непригодны. В качестве кандидатов для замены рассматриваются: светодиоды (СИД) и поверхностно излучающие лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL), причем оцениваются два варианта модуляции: непосредственно током инжекции и внешний с помощью квантоворазмерного электроабсорбционного модулятора (КЭАМ) [1].
Достоинства СИД – простота и экономичность структуры, отсутствие проблем модовой и поляризационной стабильности лазерного режима. К основным недостаткам, мешающим применять их в межсоединениях, можно отнести ограниченное быстродействие, слабую эффективность канализации и приема излучения с помощью высокоскоростных фотодетекторов с малым диаметром фоточувствительного окна, поскольку его диаграмма излучения близка к 180˚. Это предопределило потерю интереса к ним. Возможно, интерес снова возрастет при переходе к МИС, когда решающую роль будет играть экономичность.
Для демонстрации пространственно плотных оптических соединений наиболее интенсивно используется КЭАМ [3]. Его основные достоинства – высокая скорость модуляции (до 100 Гбит/с и выше), низкая амплитуда управляющего напряжения, возможность применения в качестве фотодетектора, совместимость с широко используемой в ИС кремниевой КМОП-технологией.
В передающем узле КЭАМ осуществляет пассивную функцию внешнего управления интенсивностью источника излучения, в качестве которого наибольшие перспективы имеет VCSEL. Его основные достоинства [4]:
низкий пороговый ток генерации (1,0–1,5 мА);
малая мощность потребления (в 5–10 раз меньше, чем лазера с торцевым излучением);
пространственная симметричность и малая расходимость выходного луча (10–15˚ против 30–40˚ в лазере с торцевым излучением);
существенно меньшая температурная зависимость порогового тока и крутизны энергетической характеристики;
простота обеспечения одночастотного режима;
относительно широкая полоса непрерывной перестройки длины волны (5–10 нм);
экономичность за счет возможности тестирования при производстве на пластине.
Тем не менее, с точки зрения использования в межсоединениях, данный тип лазерного излучателя не свободен от ряда недостатков. Наиболее серьезные из них:
недостаточно малый пороговый ток (должен составлять десятые доли миллиампер);
время задержки включения, которое при передаче цифровой последовательности зависит от предыдущего символа;
склонность к возбуждению пространственных мод и изменению состояния поляризации в зависимости от тока смещения, особенно при высоких температурах, что вызывает нестабильность детектируемой мощности и генерацию паразитных оптических сигналов;
трудность точной генерации на заданной длине волны, определяемой размерами его оптического резонатора и контролируемой с погрешностью до нескольких процентов, что недостаточно при пространственном распределении оптических каналов с помощью дифракционной оптики.
Перспективным решением первой проблемы считается использование нанолазера с субмикронным оптическим резонатором и сверхмалым размером активной области, формируемой на основе квантовых ям либо квантовых точек (КЯ, КТ). В этом случае обеспечиваются требуемый пороговый ток и достаточно малая мощность потребления при мощности излучения порядка десятков микроватт. Один из подходов к созданию таких нанорезонаторных структур состоит в использовании фотонных кристаллов (ФК), которые могут обеспечить достаточно жесткое ограничение по свету в малом объеме [5]. Такая резонаторная система еще более эффективна при интеграции ее с КЯ- либо КТ-наноструктурами за счет минимизации тока прозрачности материала при одновременном увеличении оптического усиления [6].
Вторая проблема, связанная с задержкой включения, составляющей в VCSEL сотни пикосекунд [7] и влияющей на работу лазера уже при скоростях в несколько гигабит в секунду, может быть решена за счет выбора рабочей точки в достаточной степени над порогом с учетом температурных колебаний порогового тока. Возникающее повышенное потребление может быть уменьшено за счет использования описанного выше нанолазера.
Интересным решением третьей проблемы может стать введение составного оптического резонатора с применением внутри него некруглых в сечении ограничительных элементов различной конфигурации, например, туннельных переходов [4].
Последняя проблема может быть решена, например, изменением толщины эпитаксиального слоя внутри резонатора VCSEL при помощи встроенной микрооптоэлектромеханической системы (МОЭМС) [4], но эта технология пока является исследовательской.
Проблемы, связанные с оптическим трактом
В качестве оптического тракта, соединяющего передающий и приемный узлы внутри и между несколькими ИС, рассматривается воздушная среда на базе системы микролинз либо интегральный оптический волновод. Последний должен быть выполнен на основе кремния в МИС или полимерного материала в ГИС, обеспечивающих на волне 1,3 мкм минимальные потери на уровне 0,05 дБ/см и на волне 1,55 мкм – 0,07 дБ/см [8].
Основное достоинство первого варианта – простота технологии, возможность высокоэффективного пространственного согласования с апертурами лазера и фотодиода. Однако серьезный недостаток по сравнению со вторым вариантом – невозможность интеграции всей конструкции, что ограничивает его применение относительно небольшой плотностью линий. Более перспективен – второй вариант, развивающийся последние 6–7 лет для обоих типов ИС на базе кремниевой фотоники [9]. В его рамках разрабатываются совместимые с КМОП-технологией активная и пассивная интегральные компонентные базы и оптоэлектронные ИС повышенной степени интеграции. Три проблемы новой технологии непосредственно относятся к оптическим межсоединениям: надежная и эффективная стыковка активных компонентов с интегральными оптическими волноводами, пространственная коммутация оптических каналов, создание интегральных устройств для их эффективного мульти- и демультиплексирования.
Первые две проблемы характеризуются отсутствием надежной оптико-механической технологии, обеспечивающей точную и эффективную стыковку сформированного на кристалле кремния оптического волноводного тракта с источниками и приемниками излучения и коммутацию введенных в разветвленный волноводный тракт оптических каналов. Перспективным решением для данных направлений считается использование МОЭМС [10].
Третья проблема связана с повышением пропускной способности межсоединения за счет спектрального разделения каналов (СРК), что широко используется в современных ВОСП. В системах с СРК сложение оптических сигналов источников на передающей стороне и их спектральное разделение на приемной стороне осуществляются при помощи мультиплексоров и демультиплексоров. Эти устройства уже реализованы в ВОСП на базе волоконных световодов и канальных интегральных волноводов, которые в связи с большими габаритами не подходят для межсоединений. Перспективным вариантом является ФК-технология [11]. Однако до ее внедрения необходимо решить проблемы относительно больших потерь и отражений оптического излучения в двумерных ФК, а также низкой добротности, выражающейся в чрезмерно широкой полосе ФК-фильтров.
Исследование компонентной базы оптических межсоединений
Работы по изучению оптических межсоединений ведутся с 2011 года в рамках НИР "Исследование функциональных элементов оптоэлектронных и оптических ИС на основе фотонных кристаллов для перспективных телекоммуникационных систем" по целевой программе Минобрнауки РФ "Развитие научного потенциала высшей школы 2009–2011 гг.". Цель их состояла в оценке перспектив применения оптических межсоединений в ГИС и МИС следующих поколений, а также в изучении моделирования данного узла и специфичной компонентной базы для его реализации. Исследования выполнялись с использованием опыта лаборатории по разработке компонентной базы и устройств для телекоммуникационных ВОСП различного назначения.
Поиск оптимального программного продукта для моделирования узлов оптического межсоединения показал отсутствие универсальной САПР для анализа вышеописанных проблем. В связи с этим моделирование проводилось с помощью специализированной оптоэлектронной САПР VPItransmission Maker, схемотехнической электронной САПР AWR Design Environment (обе США) и оптической САПР OptiFDTD фирмы Optiwave Software (Канада).
Узел оптического межсоединения
Проектирование такого узла высокоскоростной цифровой ИС проводилось с помощью САПР VPItransmission Maker. Пример имитационной модели структурной схемы с использованием кварцевого интегрально-оптического волновода представлен на рис.1. В измерительной схеме передающий тракт построен на базе моделей генератора псевдослучайной последовательности, драйвера, обеспечивающего непосредственную модуляцию по интенсивности со скоростью 10 Гбит/с, и одномодового лазера VCSEL 3, работающего в спектральном диапазоне 1,55±0,03 мкм. Для учета отражений при вводе-выводе оптического излучения волновод расположен между двумя полупрозрачными зеркалами. Прошедшее волновод модулированное излучение поступает в приемный тракт, содержащий модели фотодиода, выполняющего оптико-электрическое преобразование, фильтра нижних частот, обеспечивающего оптимальное отношение сигнал/шум, и идеального регенератора сигналов. На выходе регенератора установлена модель прибора 9, 10, реализующего измерение коэффициента ошибок. Остальные элементы выполняют служебные функции.
Поскольку все электрические элементы схемы выбраны идеальными, исследовалось только влияние передаточных и шумовых характеристик оптоэлектронных компонентов и оптического волноводного тракта. В частности, на рис.2 представлена зависимость коэффициента ошибок от волноводной дисперсии, а на рис.3 – зависимость от длины волновода и коэффициента отражения (R) его торцов. На рисунках проведена горизонтальная линия на уровне 10-12, характеризующая стандартный максимальный уровень коэффициента ошибок в пассивных волоконно-оптических сетях передачи данных со скоростью 10 Гбит/с (XG-PON по рекомендации МСЭ-Т G.987).
Кривые соответствуют результатам для локальных ВОСП, и их ход объясняется различными физическими эффектами. В частности, повышение коэффициента ошибок при близких к нулю значениях дисперсии (см. рис.2) вызвано перегрузкой оптического приемника вследствие малого затухания в оптическом волноводе. Искажения сигнала при увеличении хроматической дисперсии приводят к повышению коэффициента ошибок. Можно сделать вывод, что требуемое качество передачи обеспечивается при дисперсии, не превышающей 20 нс/м2, что соответствует ее типичному значению для кварцевого волокна в третьем окне прозрачности.
Увеличение коэффициента ошибок с уменьшением длины оптического волновода (см. рис.3) также объясняется перегрузкой приемного тракта. При одинаковой длине его наибольшие значения получаются для непросветленных торцов оптического волновода ( R = 0,2 ) и уменьшаются по мере их просветления, т.е. уменьшения коэффициентов отражения. Эффект известен, например, в когерентных ВОСП и объясняется влиянием дополнительного шума интенсивности в резонаторе Фабри-Перо, образованном двумя параллельными зеркалами (см. рис.1). В оптических межсоединениях его предельное уменьшение – серьезная проблема, которая должна быть разрешена при проектировании ИС. Из рис.3 можно сделать следующие выводы:
если не применять мер по уменьшению отражений от торцов оптического волновода, его длина должна быть не менее 5 см;
в третьем окне прозрачности при скорости передачи сигнала 10 Гбит/с увеличение длины волновода не приводит к росту коэффициента ошибок вплоть до длины 20 см.
Оптоэлектронная
компонентная база
Серьезным недостатком САПР VPItransmission Maker при проектировании высокоскоростных цифровых ВОСП является использование модели VCSEL на базе одномодовых скоростных уравнений, содержащих более 20 неподдающихся прямым измерениям электрофизических и оптико-физических параметров, и простейшей RC-модели фотодиода, работающей в малосигнальном режиме. Это нереально для цифровых ВОСП, к классу которых принадлежит рассматриваемое оптическое межсоединение в ИС. С помощью данной САПР принципиально невозможно обеспечить корректный анализ и оптимизацию аппаратурных узлов, содержащих быстродействующие оптоэлектронные компоненты, аналоговые и цифровые электронные каскады, что соответствует принципам построения узлов оптических межсоединений.
Предложена бесструктурная нелинейная модель VCSEL [12]. Исходными данными для нее служат результаты измерения статической и динамической характеристик электрооптического преобразования и отражения по модулирующему входу испытуемого образца. Эффект электрооптического преобразования в активной области лазера моделируется с использованием метода эквивалентного напряжения, заключающегося в представлении его реальной ватт-амперной характеристики (ВтАХ) в виде эквивалентной вольт-амперной характеристики активной электрической цепи. Подход, использующий идентичность связи тока и напряжения в электрических цепях и тока и оптической мощности в оптоэлектронных цепях [13], дает возможность моделировать при помощи высокоразвитой электронной САПР, например, AWR Design Environment (AWRDE).
Модель представлена на рис.4. Она разделена на две секции: линейную цепь и нелинейный эквивалентный преобразователь (НЭП) тока в напряжение. Секция НЭП содержит идеальный управляемый напряжением источник тока и библиотечный элемент LOOKUP программы AWRDE, представляющий собой таблицу соответствия, в которой осуществляется преобразование входных данных в выходные. В ходе моделирования в этот элемент заносятся данные измерения ВтАХ лазера. Компьютерная реализация линейной секции в виде физической эквивалентной схемы (ФЭС) показана на рис.5. Преимущество ФЭС заключается в том, что каждый ее элемент имеет ясную физическую интерпретацию. Для определения реальной частотно-модуляционной характеристики в ФЭС введен идеальный управляемый напряжением источник напряжения U1.
С целью обеспечения сквозного проектирования узла оптического межсоединения с помощью той же САПР реализована нелинейная модель фотодиодного модуля (рис.6), использующая аналогичный принцип построения [14]. В данной ФЭС каждый элемент, как на рис.5, имеет четкую физическую интерпретацию. В модели учитываются следующие эффекты:
нелинейность емкости обедненного слоя фотодиода;
частотные искажения вследствие влияния паразитных элементов кристалла фотодиода и предварительного усилителя;
отражение при вводе оптического излучения;
темновой ток фотодиода и его зависимость от температуры и напряжения смещения;
генерация постоянного фототока вследствие воздействия оптической несущей;
изменение глубины модуляции оптической несущей;
увеличение обратного смещения фотодиода вследствие падения напряжения на последовательном сопротивлении (R1, рис.6) в режиме большого сигнала.
Оптическая компонентная база
Объектом рассмотрения специфичных элементов оптической компонентной базы узла оптического межсоединения в ИС, обеспечивающих повышение его пропускной способности, является фотонно-кристаллический (ФК) спектральный демультиплексор. Цель предварительных исследований состояла в изучении принципов его построения и возможностей выделения оптических каналов с относительно плотным спектральным разнесением. Для моделирования использовался двумерный фотонный кристалл размерами 11 × 11 мкм с квадратной решеткой диэлектрических наностержней диаметром 200 нм. Разработка демультиплексора основывалась на изменении поперечных размеров волноводных каналов и внесении внутрь их дополнительных дефектных наностержней различного радиуса. Подбор геометрических параметров модели проводился из анализа карт фотонных запрещенных зон. Моделирование выполнялось с помощью САПР OptiFDTD фирмы Optiwave Software (Канада), в которой для анализа уравнений Максвелла использвался метод конечных разностей во временной области.
Моделирование [15] проводилось на базе телекоммуникационного стандарта IEEE 802.3 40GBASE-LR4, согласно которому сигналы передаются во втором окне прозрачности на четырех длинах волн с разносом 20 нм: 1270, 1290, 1310 и 1330 нм. Пример распределения электромагнитного поля в волноводах графически представлен на рис.7, а в таблице приведены численные значения развязки по выходам при разносе оптических несущих 60, 40 и 20 нм. Из нее следует: чем меньше шаг между рабочими длинами волн, тем сложнее осуществить их спектральное разделение с достаточным уровнем развязки. В первую очередь это связано с широкополосностью одного из фильтров.
В целом можно сделать следующие выводы.
Оптоэлектронный подход, обеспечивая решение проблемы электрических межсоединений в высокоскоростных ИС, наиболее перспективен по сравнению с другими физическими и технологическими принципами: охлаждением кристаллов, применением сверхпроводящих линий, многослойных подложек, внешней разводки, трехмерной этажерочной конструкции.
Развитые на базе данного подхода оптические межсоединения обладают рядом геометрических, дизайнерских, параметрических и производственных преимуществ.
На пути широкого внедрения оптической технологии существуют серьезные проблемы, которые можно охарактеризовать как связанные с компонентной базой и с оптическом трактом. Одними из важных компонентов и узлов распределительного оптического тракта, требующих дальнейшего изучения, являются поверхностно излучающий лазер с вертикальным микрорезонатором (VCSEL), электроабсорбционный модулятор, фотодиод с малой емкостью, спектральный мультиплексор/демультиплексор на базе фотоннокристаллических структур.
Литература
Miller D.A.B. Device Requirements for Optical Interconnects to Silicon Chips. Proceedings of the IEEE, 2009, v.97, №7, p.1166–1185.
Wey Y.-G., et al. 110-GHz GaInAs/InP double heterostructure p-i-n photodetectors. IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, 1995, v. 13, No. 7, p. 1490-1499.
Moontragoon P. et al. SnGe symmetric Quantum Well Electroabsorption Modulators for Long-Wave Silicon Photonics. – IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2010, v.16, №1, p.100–105.
Koyama F. Advances of VCSEL Photonics for Optical Interconnects. – 10th IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology, ICSICT, 2010, p.1223–1226.
Akahane Y. et al. High-Q photonic nanocavity in a two-dimensional photonic crystal. – Nature, 2003, 425, p.944–947.
Noda S. Applied physics: Seeking the ultimate nanolaser. – Science, 2006, 314, p.260–261.
Белкин М.Е., Белкин Л.М. Исследование характеристики времени задержки включения поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором. – Нано- и микросистемная техника, 2010, №11, с.51–54.
Yeniay A., Gao R.Y., Takayama K., Gao R.F. and Garito A.F. Ultra-low-loss polymer waveguides. – IEEE Journal of Lightwave Technology, 2004, v.22, №1, p.154–158.
Soref R. The Past, Present, and Future of Silicon Photonics. – IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2006, v.12, №6, p.1678–1687.
Noell W. et al. Applications of SOI-based optical MEMS. – IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2002, v.8, №1, p.148–154.
Photonic Crystals: Physics and Technology (Ed. C. Sibilia, T.M. Benson, M. Marciniak, T. Szoplik) Springer-Verlag Italia, 2008.
Белкин Л.М., Белкин М.Е. Бесструктурная модель поверхностно излучающего лазера с полосой модуляции в СВЧ-диапазоне. – Нано- и микросистемная техника, 2011, № 10, с.9–17.
Belkin M., Belkin L. Sigov A. et al. Performances of Microwave-Band Analog Signal Transmission using Wafer-Fused Long Wavelength VCSELs. – IEEE Photonics Technology Letters, 2011, v.23, №20, p.1463–1465.
Belkin M.E. Multiscale Computer Aided Design of Microwave-Band P-I-N Photodetectors. In book Photodetector / Ed. by S. Gateva. – Croatia: InTech, 2012.
Бахвалова Т.Н., Белкин М.Е. Моделирование фотонно-кристаллического спектрального демультиплексора. – Нано- и микросистемная техника, 2012, №1, с.27–30.
Отзывы читателей
