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共同筆記 / 矽光子學

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矽光子學(Silicon Photonics)


矽光子學(Silicon Photonics)的目標是發展出可操縱光訊號、奈米等級的積體化晶片,將無數個光學元件整合於其上,能夠像現在我們在晶片上操縱電一般的操控光。為了能將整個光學系統整合在一片半導體的晶片上,奈米等級的矽光子電路正持續在發展,而立即可見的應用就是取代現今逐漸面臨瓶頸的銅導線I/O連結。

IC晶片中,為了尋求運算速度的提升,不斷縮小元件尺寸,相對地系統電路就越來越複雜,使得金屬線連結因為電阻與電容產生之延遲(RC delay)更加顯著,操作速度也因此有所限制。同時傳輸的失真及損耗問題也因此益發嚴重。而相較於電子,光子沒有電荷與質量,不容易受外界干擾,也有較低的傳輸損耗及功率消耗,因此為了持續追求更高的運算速度,利用光連結(Optical interconnect)來取代電連結,而將光學元件與積體電路整合形成OEICopto-electronic integrated circuits)便成為積體光學(Integrated Photonics)研究的主流。其中矽光子學提供了較低成本的方法,也因此成為許多團隊積極研究的主題。

矽光元件具有頻寬大、損耗低的特性,能夠提供很高的調變速率,因此傳輸量相當大,足以應付高速運算的需求。而利用光的分波長多工技術來進行多通道傳輸,更能進一步提升平行處理的速率,所以就能大量增加架構內的晶片數和晶片內的核心數。而晶片內傳遞光訊號的波導對光的侷限,使得元件的面積能夠大幅縮小,有利於積體化整合,而且提供了操控光訊號的新方法。此外,其材料為相對便宜的矽,且元件製造利用現今製作ICCMOS製程,因此開闢了未來光路與電路的整合。

未來的3D整合式晶片,將由許多互相連結的層狀結構組成:下層是一個擁有數百顆核心的處理器,其上則是記憶體層,提供快速的快取(cache)通道。最上層則是擁有數以千計光學元件(雷射、調變器、接收器、開關等)的積體光路和其餘的類比電子元件。此類光電層的角色,除了提供核心之間以及晶片外大頻寬的通訊,還能利用光開關陣列來指揮光路交錯的訊號通過。最終形成全功能的單晶片。



矽光子學的研究為劃時代的高速運算系統奠定了基礎。將光學元件與電子元件整合在矽晶片上,並利用CMOS製程大量製造,即將吹響電腦運算革命的號角。

Artist’ concept of 3D silicon processor chip with optical IO layer featuring on-chip nanophotonic network

相關文獻及工作可以由以下之網頁連結獲得
IBM's page on silicon integrated nanophotonics

http://domino.research.ibm.com/comm/research_projects.nsf/pages/photonics.index.html

Intel's page on silicon photonics

http://techresearch.intel.com/articles/Tera-Scale/1419.htm

 
 


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