[發明專利]一種單片集成收發一體光電芯片及集成芯片陣列

在審

• 申請號: 201611184920.9
• 申請日: 2016-12-20
• 公開（公告）號: CN106772797A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 劉凱;任曉敏;黃永清;王琦;段曉峰
• 申請（專利權）人: 北京郵電大學
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司11002
• 代理人: 王慶龍

技術領域

本發明涉及光電技術領域，更具體地，涉及一種單片集成收發一體光電芯片及集成芯片陣列。

背景技術

近年來信息技術領域的進步日新月異，從商業、工業、通信、社會服務等各個領域向人們的日常工作、生活的各個方面逐步加速滲透，互聯網、云計算、大數據等現代信息技術深刻改變著人類的思維、生產、生活、學習方式，深刻展示了世界發展的前景，并進而更進一步推動了自身的飛速發展。在我國，云計算和大數據服務也受到了極大的關注和推動，國家十二五規劃綱要、“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃將云計算列為新一代信息技術產業的重點領域。2015年《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十三個五年規劃的建議》中更具體提到要實施國家大數據戰略，這標志著大數據已被國家納入創新戰略層面，成為國家戰略計劃的核心任務之一。進而，作為大數據戰略服務支撐的云計算也同時獲得了新的發展契機。目前，國家工信部正在制定大數據產業和云計算的“十三五”發展規劃。

技術上看這一重要的“云”基本上由三個同等重要的系統構成。存儲用戶數據和信息資源的數據中心、聯結各個數據中心的網絡及聯結終端用戶到各個數據中心的網絡。對于數據中心，其由多層交換機或路由器架構起所有服務器之間的互聯通道以及與外部網絡的聯通與交換，光互聯技術在其網絡架構中起著決定性作用，幾乎所有的交換機和路由器間的連接都由其實現，而且目前光互聯技術更進一步滲透到服務器組交換機到服務器和服務器之間的連接領域。光互聯的優勢包括滿足不斷更新的應用對多種特性流量的聯接需求、節能、交換轉變的快速性、波分復用和并行聯接的可行性、降低路由節點數、競爭解決和高速的光連接存儲。目前已投入使用的100G的光互聯方案如下表1所示。

表1：三種100G技術

備注：上表中，MMF：多模光纖；SMF：單模光纖；DFB：分布反饋布拉格。

目前主要研究的光互聯技術方案有兩種，基于垂直腔面發射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)和多模光纖的方案，基于分布反饋布拉格(D絕緣層tributed Feedback Laser，DFB)激光器和單模光纖的方案。對于兩種方案其收發端的研究重點是VCSEL和硅光子學集成芯片(Si-Photonics)，其評價主要從三個方面來考慮：考慮集成度的單位體積或面積帶寬密度(Gb/s/mm3或Gb/s/mm2)、考慮功耗的單位速率功耗(pJ/bit或mW/Gb/s)以及考慮成本的單位帶寬成本($/Gb/s)。而在實際應用中，99％以上的光互聯距離都在300m以下，所以基于垂直腔面發射激光器的方案更為業界所重視。

對于垂直腔面發射激光器，自1996年首支VCSEL投入商用以來,已經有超過3億支激光器應用在數據通信系統中。商用系統中應用的VCSEL傳輸速率也從1996年的1Gb/s逐步提升到2014年的28Gb/s。研究表明，80％應用多模光纖的互連距離小于100m，目前實際應用中VCSEL通常與符合OM3標準的多模光纖配合使用，可以支持單信道10Gb/s下100m的光互聯或25Gb/s下75m的光互聯。對于更高的傳輸速率要求目前通常是采用多光纖通道的并聯方式實現，如4×10Gb/s、4×25Gb/s或8×12.5Gb/s等來實現40Gb/s到100Gb/s的傳輸速率。垂直腔面發射激光由上下兩層反射鏡(p-DBR和n-DBR)夾持著量子阱(QWs)有源區構成，由正/負電極(p-contact/n-contact)注入的電流被氧化層(oxide layer)形成的窗口限制。