智能像素性能评估

　　在没有研制出SEED智能像素之前，光互连、光交换系统大部分采用对称方式S－SEED（Symmetric－SEED）结构 ，尽管S-SEED器件有许多优点，但它也有一些弱点，例如S－SEED的工作速度受到光电流以及器件电容充电时间的限制；S－SEED的光能耗还较大（几个PJ），特别是在大规模阵列构成的光电集成系统中作为光源的半导体激光器能够提供的光功率是有限的，因此光能耗问题十分突出；工作电压比较高（约14 V）；另外，必须工作在零场激子吸收峰对应的波长附近，才能有光双稳特性，因此工作波长范围较窄（约几个nm），两态对比度较低等。将场效应晶体管（FET）与自电光效应器件（SEED）集成的SEED智能像素同S－SEED器件相比较，主要优点有：

　　（1）由于利用了FET的放大特性，引入电子增益，可降低输入光开关能量，提高开关速率，对于同一光学窗口尺寸，SEED智能像素比s-SEED的输入光能量至少可降低10倍，例如以500 Mb/s速率工作的SEED智能像素的输入开关能量只需要400 fJ，而低的输入光能量还可减少器件局部的热效应。

　　（2）将SEED器件与功能齐全、性能完善的电子电路结合起来，可使智能像素不仅具有光输入、光输出特性，还具有较强的逻辑处理和智能控制功能，从而大大地提高了光电子集成系统的性能。

　　（3）不需要光双稳特性，因此器件可在零场激子峰长波处工作，并且工作波长范围较宽，两态对比度也比较高。

　　（4）由于光探测器和光调制器之间可用FET隔离，输入光和输出光不需要相互适应，输入光窗口和输出光窗口尺寸可以不相同，并且可进一步减小，因此可减小器件电容，从而可进一步减小输入光能量，提高工作速率。

　　在最近的几年里，随着智能像素光子集成器件和光子集成技术的不断发展，智能像素列阵（Smart Pixels Array，SPA）的数据吞吐量、复杂度及性能都得到很大提高囵。SPA高性能的主要表征是速率，第一代高性能的SPA为4×4节点阵列，速率为10～500 Mb/s；第二代高性能的SPA是8×8节点（或更大规模）阵列，速率目前已超过Gb/s。提高SPA数据吞吐量的另一个途径是增大光节点密度，高密度SPA的近期研究目标是研制512×512阵列。

　　在过去的几年里，智能像素在光互连系统中的应用主要体现在高性能智能互连和高密度互连。高性能智能互连的特点是程控智能化，互连通道数一般为10～10000，单通道速率＞100 Mb/s，每个光LO通道含晶体管数大于50，主要应用于自由空间PCB光互连模板、光交换网络和高性能计算机光互连。高密度互连的特点是超大容量高密度光互连，互连通道数一般为1 000～100 000，速率不十分高，一般小于100 Mb/s，智能化成度也不高，每个光I/O通道含晶体管数小于50，专门应用在光显示、光存储、光模拟信号处理和光神经网络等方面。智能像素在互连方面目前已大大超过电子器件能力，并且无论是在高性能智能互连方面，还是在高密度互连方面都有很大的潜力。智能像素发展的关键是降低成本和高稳定性、高可靠性的封装技术，光点的对准和光路的效率也都是很重要的。光路系统应满足一些应用的基本要求，如支持大于1 000个SPA/c㎡的互连密度、SPA间距与电路板标准插槽间距一致、支持大于I cm的SPA空间、高的光传输效率、高稳定的光路、应用适于批量生产的光子集成器件、模板应具有可插拔功能等。