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IBM展示CMOS製程矽光子晶片研發成果

上網時間: 2015年05月18日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:矽光子  IBM  CMOS製程  分波多工  資料中心 

IBM在近日於美國矽谷舉行的年度雷射暨電光學(Conference on Lasers and Electro Optics 2015)會議上,展示了號稱完全整合的分波多工CMOS矽光子(silicon photonics)晶片,為一種能讓光與電並存的廉價、商業化晶片生產技術鋪路。

上述IBM Research所展示的晶片,是由位於瑞士蘇黎世(Zurich)的實驗室以及美國紐約州Yorktown Heights的T.J. Watson實驗室共同合作,長達15年的矽光子技術研究成果;顧問機構Envisioneering的研究總監Rick Doherty表示,該款100Gbps收發器晶片,以IBM命名為CMOS整合式奈米光子技術(Integrated Nano-Photonics Technology)製作,充分顯示IBM在矽光子研究領域的領導地位。

矽光子技術的問題一直在於晶片的光學介面,不過IBM的光子解決方案能被應用於系統單晶片(SoC),以廉價的標準連接器(edge connector)在晶片之間傳輸光,或是只要將CMOS晶片邊緣接在一起就能進行晶片對晶片的通訊。

IBM目前展示的晶片將4個25Gbps通道──每個通道的波長都略有不同──結合為單一100Gbps通道;Doherty指出:「我看不出IBM如果IBM要添加更多通道會有什麼問題,目前的技術至少可以結合8個通道。」

晶舟(Fab cassette)承載著以IBM整合式奈米光子技術(INPT)製作的CMOS晶圓片切割出來的數百顆100Gbps收發器,在單一晶片中結合了電與光
晶舟(Fab cassette)承裝著以IBM整合式奈米光子技術(INPT)製作的CMOS晶圓片切割出來的數百顆100Gbps收發器,在單一晶片中結合了電與光
(來源:IBM

此研究成果得自於在實驗室長時間的努力,IBM Research物理科學部門(Physical Sciences)研究總監Supratik Guha表示,該公司從2000年展開矽光子技術研發:「因為我們了解該技術在資料處理方面的所有商機,我們相信研究成果能催生市場上第一款可商業化的、將CMOS與矽光子整合在相同晶片中的產品。」

目前該晶片的4個雷射通道──分別以25Gbps的速度在晶片上運作──是以鍺(germanium)光學探測器以及光學解多工器(demultiplexers),將之融合為單一100Gbps電子訊號,在需要時進行處理;該電子訊號能以干涉儀(interferometers)調變四道晶片外的雷射,成為在晶片邊緣外行進的光脈衝。

IBM Research矽光子部門(Silicon Photonics Group)經理Will Green表示,雷射是由晶片外引入,已進行調變,但最終他們希望能將三五族(III-V)雷射也整合到晶片中。IBM還在著手開發設計套件,讓工程師能開發各種不同的應用,從最簡單的中繼器(repeater)到最複雜的、今日需要許多昂貴離散元件才能組成的光子運作系統。

 IBM的全整合式分波多工CMOS光子晶片
IBM的全整合式分波多工CMOS光子晶片,內含四個獨立的發射通道(右邊的眼圖),有四個不同波長的25Gbps收發器通道(左),利用晶片上的分波多工器進行結合或分開
(來源:IBM)

Green 表示,IBM的設計套件能讓工程師打造各種類型的光子CMOS電路,包括100G乙太網路、大型交換機與其他高速光學通訊應用所需的關鍵元件:「我們能將收發器與處理器搭配,應用於大型無線網路,甚至也能應用於智慧型手機中,以光纖來操作天線訊號開關。」

Guha則表示,IBM的矽光子晶片在資料中心應用中,能扮演可擴充收發(scalable transceiver)器的角色,直接進行兩個點的通訊,不須中繼器,因此能克服今日VCSEL (vertical cavity surface emitting laser,VCSEL)連結之頻寬-距離的限制。

他強調:「我們所展示的是該單晶片以分波多工所達成的資料速率,光學濾波器結合與分離多工色彩,就能完成矽光學元件的解多工程序;這一切只要使用任何一座CMOS晶圓廠的矽與電介質製造的單一晶片,搭配以次100奈米(sub-100nm)絕緣上覆矽(silicon-on-insulator)生產的鍺薄膜光探測器。」

編譯:Judith Cheng

(參考原文: IBM Demos CMOS Silicon Photonics,by R. Colin Johnson)





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