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Graham Reed:数据中心和高效能计算机将成硅光的主
作者:admin 发布日期:2017-12-29 11:06 关注次数:
11月8日,在西安举行的”2017西安国际光电子集成技术论坛“上,来自全球300多位光电子集成领域专家、电信运营商、互联网运营商、行业领导者企业、产业组织机构、院校等行业精英,围绕“全球光电子集成技术演进路线、推动光电子集成产业发展”的主题,共同探讨 光电子集成技术面临的新市场、新挑战和新机会,共谋全球光电子集成技术的路线。
英国皇家工程院院士,英国南安普顿大学教授 Graham Reed在大会上为我们梳理了“硅基光电子学的发展历程,硅基光电子产品的选择更新,以及硅基光电子学目前仍面临的挑战和技术难题。
硅基光电子学的背景
Graham教授认为,硅基光电子学到今天的活跃程度,得益于日益增长数据流量,人们生活方式的改变,以及对于功耗、能耗等的要求。
硅基光电子学发展的驱动力一:数据中心流量
由于全球对于数据流量的需求量日益激增,对于数据处理的规模也越来越大,所以在数据中心所处理数据的容量和规模、体量来说都非常大。(我们看看互联网内容提供商的数据流量)
l  Twitter用户每天大约要发布5亿条信息;
l  YouTuber的10亿用户60天内上传的视频内容比美国三大电视台60年来创建的还要多;
l  Facebook拥有超过15.9亿活跃用户,每分钟超运312.5万个点赞;
l  Google搜索每秒执行4万次搜索,每次搜索平均要行驶1500英里到数据中心,然后反馈给用户;
l  单个Google搜索在0.2秒内使用1000台计算机来检索答案。
硅基光电子学发展的驱动力二:能耗
      l  2010年,Google披露全球功耗约为260兆瓦。Google的数据中心占数据中心用电量的不到1%。
      l  2010年,数据中心占全球电力消耗约1.5%,2016年底占3%。
      l  超大规模数据中心的数量预计将从2015年底的259个增长到2020年的485个。
硅基光电子学发展的驱动力三:硅基光电子项目及商业情况
l  超过10亿美元的研究经费用于公共资源的硅光子相关项目;
l  在过去的几年中有相当数量的关于硅光子的创公司;
l  过去数年中,有约9亿美元的硅光子公司收购资金产生。
硅基光电子市场的状况
数据中心和高效能计算机有希望成为硅基光电子的主要市场。

硅基光电子产品选择(1997~2013)
•Bookham-基于硅光子的无源光网络。40通道AWG的和VOA
•Bookham-4通道CWDM收发器。
•Kotura-基于硅光子的VOA。
•Luxtera-4×10 Gbps收发器。
•Kotura密集波分复用多路复用器。
•Luxtera-4×28 Gbps收发器。
•Kotura(被Mellanox并购后)-4×25 Gbps的单模可插拔模块(3.5瓦)。
•思科CPAK 100Gbs光纤模块。
•更多最新的包括:Acacia,英特尔等。
    硅基光电子产业呈现持续快速发展的态势,越来越多公司对硅基光电子萌发出兴趣,也越来越多公司加入到这个产业发展中来。
光子学走近电子学
    在硅基光电子方面,电子学和光子学两个学科有不断融合的趋势,从这个图表中大家可以看到光子学和电子学的技术、元件、性能,包括要实现的目标应用,还有整个的一些局限性,可以清晰的看到,我们所用的电源和能源越来越小,集成化越来越高,电子学和光子学他们不断的融合。
光互连具有“高速率高密度”的特点,例如,具有物理小尺寸的高速和距离较长的带宽,集成多个光和电子芯片的联合封装是最优的技术。而实现这样高密度的光学芯片规模封装(OCSP)则最好是基于硅光子芯片。

调制方案
    如何设计调制器?调制器的设计方案有很多,我们小组从1991年开始,到2015年看到有很多的作者对于调制器的一些技术研究和相关的调查。
像这样不断向前推进和改良的解决方案,每一年都会有新的量级的出现,我们还把重点放在带宽和速率增大的问题。我们到了55GT的时候,调制器的速率不断的增强和增大。这个性能仍在不断的增强和增长,到今年都已经到了90这么一个量级,这个改变和变化速度是非常快的。
    我们在传输方面做了很多的设计,比如说像我们调制器的驱动的设计,因为在当时我们才开始进行研究的时候,需要很多成本的投入,之后我们进行了相关的研究,大家可以看到在2013年,我们处理的级别是130nm,功率是465,让调制器的运转速度更高更快。
随着光学和电子设备的完全协作,我们通过设计可以显著提高发射机功率的效率,现在达到了30Gbps的速度。
    我们为了能够更好的去设计调制解调器的驱动器,更愿意选择体积比较小的,但有一个弊病,因为很多光纤进入,会造成稳定性不是很好,这也是我们需要解决的问题。
    还有一个问题就是谐振的修整,更好地解解决耗电量大的问题。对于谐振修整,尤其在振动的步骤过程中,这部分我们碰到了两个问题,一个是谐振修整,另外一个就是对光学光源子选择的问题,比如说有堵塞的现象,有两个问题存在在这里,我们要正确的应用这两个问题和挑战。
    首先我们要对谐振进行修整,对于我们研究小组来说,我们就碰到了这种类型的问题,尤其是作为一个非常典型的问题出现,而且对于我们在选择中会带来负面的影响,尤其对我们的设计也会带来很大的影响,大家可以看到我们是怎么样来解决振频修正的问题,这个部分是最容易受到破坏的,对于硅晶体来说是非常易损易耗的,我们改变波导,来进行谐振的修整。
    我们通过制造环形的波导,通过植入区域的宽度和长度,呈现出相关的关系。我们不想出现硅基光片的损耗和破坏,我们还可以用激光的方法,可以帮助我们制造出来环形的谐振器的SR,如果可以对它进行控制的话,就可以得到一个非常好的结果。
    还可以使用扫描激光的方法,我们也做了相关的实验,大家可以看到实验的结果,尽管我们所碰到的量级非常小,但是我们所碰到的典型性的问题,比如说有一块比较小的加热器,它可能也会对我们的元件造成很大的影响,所以我们也做了同样的方法,我们通过注入波导的激光退火,来达到我们最终想要取得的目标。
    光连接最大的问题就是成本的问题,组装和测试的成本问题。
  
小结
硅基光电子这个学科和产业,还会继续非常活跃地发展;
我们仍然需要低成本、低功耗、短距离的光互联,我们的目标是光子学和电子学不断的融合和嫁接;
我们正在采用越来越先进的调制器的设计方案,提高综合速率,降低每比特的消耗。
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