智能像素的应用

　　由于微光电子集成智能像素集光子集成器件和超大规模集成电路于一体，同时具有光信号探测、调制、变换、 处理、发射、传输等功能和电信号存储、放大、逻辑、智能控制等功能。因此微光电子集成智能像素可广泛应用 于光互连、光交换、信息存储、信息传输、图像处理和神经网络等方面。

　　在高速、大容量数据计算和信息通信系统中，系统内部数据计算和信息处理的速度是很快的，而系统的输入/输 出速度相对较慢，在输入和输出端出现一个瓶颈，铝和铜等金属线很难承担起高密度互连作用，因此必然提出用 光实现高密度互连和信息交换。光互连通过操作半导体激光器、光调制、光接收及光逻辑开关等光子器件，实现 对光波的强度、相位、波长和偏振态等的变换与控制，将信息加载在光波上，从而完成对信息的处理和传输功能 。光互连具有极高的空间和时间带宽积、互连密度高、无接触性、等程性、不受电磁场干扰和功耗低等许多电互 连所不具备的特点，可以解决电互连的带宽限制、时钟歪斜、串话、寄生效应、电磁场干扰等圃有缺陷和输入/输出速度较慢的瓶颈问题，可望取代传统的电互连技术构成高速、高密度、可 重构的互连网络而成为新一代的互连技术，以满足大规模多处理器并行计算机和高速信息通信交换系统的要求。

　　光互连包括高性能计算机之间、大规模并行多处理器之间、超大规模电路芯片之间，以及芯片内部的互连。光 交换除了这几方面的数据交换外，还包括通信中的光纤传输信息交换。光互连有自由空间光互连和光波导光互连 两种类型。远距离系统之间光互连多采用光波导光互连，插板之间的光互连、自由空间和光波导光互连均可采用 ；短距离芯片间的光互连可用自由空间光互连来实现，芯片内部逻辑门之间的光互连必须通过光波导来实现。光 互连和光交换必须有相应的开关功能器件，它是实现光互连和光交换的基本单元。开关器件位于光互连网络节点 处，它根据控制指令，通过改变光信号的强度、相位、波长和偏振等关键信息特征，实现对光信息的选通和控制 ，光开关器件是光互连和光交换的关键器件，它决定了系统的速率、容量、规模和实用化程度。SEED智能像素和 VCSEL智能像素为光互连技术的发展提供了关键器件。

　　图1是SEED智能像素构成的光互连、光交换结构示意图。16个光探测器和4个光调制器由量子阱SEED器件构成， 选通电路和其他逻辑控制电路制作在Si CM0S集成电路芯片上，SEED集成面阵和CMOS芯片通过倒装焊接成一体。4 个光纤通道的输入光首先经过分束分别照射在16个光探测器上，经过SEED器件转换成电信号送入选通电路，选通 的电信号再由SEED光调制器将电信号转换成光信号传输给输出光纤，整个信息交换过程是由光和电共同完成的， 因此它是一种光电Crossbar结构。

图1 SEED智能像素构成的光互连、光交换结构示意图

　　美国Bell实验室将SEED智能像素应用于光交换系统，取得很大进展。1993年报告了第一代光学数字通信交换网络 实验系统。系统为16路输入32路输出（32位宽）六级系统，采用自由空间榕树Banyan多级互连网络，光开关节点 为S－SEED光子集成器件，每一通道的数据传输速率约为8 Mb/s，系统数据总吞吐量为128 Mb/s。系统存在着损耗大、效率低、速率慢等严重缺点。

　　1994年研制成功了第二代光学ATM（Asynchronous Transfer Mode）交换网络系统。系统为32路输入16路输出五 级系统，系统采用单片集成GaAs FET－SEED智能像素作为（2，1，1）光开关节点,由五片4×4节点列阵构成的五 级光交换系统，光开关能量小于100 fJ，对比度为3∶1，每一通道的数据传输速率为155 Mb/s，系统数据总吞吐 量为2.5 Gb/s，整个交换系统尺寸为28 cm×35 cm。

　　1996年出现了第三代光学ATM交换网络系统，系统为256路输入、256路输出的单级光交换系统，采用光电 Crossbar网络结构，光开关节点为CMOS－SEED智能像素，SEED阵列倒装焊在CMOS电路芯片上。每一通道的数据传 输速率为155 Mb/s，系统数据总吞吐量为40 Gb/s，是GaAs FET－SEED智能像素构成的五级光交换网络系统的16倍 ，而光路及其所需的微光学机械部件仅为五级交换系统的五分之一。表1对Bell实验室完成的SEED光互连系统的性 能进行了总结。

　　表1 Bell实验室完成的SEED光互连系统的性能

　　美国Colorado大学的研究人员应用CMOS－SEED智能像素和自由空间光互连模块构成ATM智能光学平台。加拿大 McGill大学的研究人员将CMOS－SEED智能像素应用于印制电路板（PCB）之间的空间光互连，构成光学数据链路和 智能光学模板。

　　美国由HP、GE、Honeywell、Motorola等几大公司牵头的几个大型计划，日本的东京工业大学、NEC公司、NTT光 电实验室等，都对VCSEL及其智能像素在光互连系统中的实用化做了大曩细致的工作。表2列出了几种基于VCSEL的 光互连系统的性能。

　　表2 几种VCSEL光互连系统的性能

　　GE和Honeywell公司共同研制出了用Polymer作光波导的32通道VCSEL光互连模块，由于将聚合物（Polymer）光 互连技术用于光的传输媒介，整个模块的造价大幅度下降，工艺流程日趋简化稳定。NEO研制的8通道VCSEL列阵插 拔式连接模块，VCSEL和光纤的耦合损耗约2.1 dB，单个通道在1 Gb/s的传输速率时误码率BER＝10-11。他们还研 制了16×16光学Cross冖bar连接模块：到，包括1×16通道VCSEL插拔连接器和16×1聚合物光波导耦合连接器，总 损耗约6.7±1.1 dB。NTT研制的40通道板间并行光互连模块围，每个通道传输速率700 Mb/s，模块总数据传输速 率超过25 Gb/s。1×16、1×32系列的VCSEL产品已步入实用化阶段，并已用于ATM技术的交换系统之中。日本东京 工业大学以K.Iga为首的研究小组，将VCSEL集成面阵与微透镜阵列技术、自对准光学技术相结合构成了光互连系 统。