通信技術發(fā)展與集成電路和集成光路

通信技術的發(fā)展與集成光路
隨著集成電路特征尺寸的縮小和集成度的提高，特別是因特網(wǎng)的出現(xiàn)和各種新業(yè)務對帶寬的要求，出現(xiàn)了很多新的、難以解決的問題，如因特網(wǎng)骨干網(wǎng)在普遍實現(xiàn)高清晰度電視傳送時產(chǎn)生的帶寬問題絕不是可以用電的方法解決的。又例如，采用基于電信號處理的SDH系統(tǒng)對光纖帶寬的使用率僅為1%，而采用全光網(wǎng)概念的光分插復用(OADM)設備、光交叉連接(OXC)設備則可以將光纖的容量發(fā)揮到極致。于是，科學家們開始專注光子技術的研究，希望可以用光子取代電子實現(xiàn)信息的存儲、處理和傳輸。
光相對電有很多優(yōu)點，例如，光在光纖等介質(zhì)材料里的傳輸速度和帶寬都遠遠大于電子在金屬中的傳輸速度和帶寬，光在光纖中的傳輸損耗遠小于電在金屬中的傳輸損耗等。但是，光子的控制卻相當困難。這使得光器件的研究和應用一直步履蹣跚，難以取得重大的進步。1987年光子晶體概念的提出向人們展示了一種全新的控制光子的機制，它完全不同于以往利用全反射來引導光傳輸?shù)臋C理，給光通信技術的發(fā)展和應用帶來了新的生機和活力，展現(xiàn)了一個美好的未來。
不難理解，如果希望光子在通信領域能夠得到廣泛的應用，就要找到一種象實現(xiàn)微電子芯片那樣的方法和途徑，制造出集成化的微光子芯片。理想的解決方案是在一個微小平臺上利用某種東西能同時實現(xiàn)鏡子、交換和波導的功能。
光子不僅對通信領域有著巨大的誘惑力，也是未來提高計算機計算速度的關鍵技術。
微光子、集成光路的發(fā)展趨勢
微光子領域的研究，其目的是仿效在電子域內(nèi)把晶體管和其它電子裝置集成在一個芯片上的技術來壓縮光子開關、光纖、激光器、探測器，并把它們集成在一個光路上。目前集成光路已進入了工程應用階段。
由于光波的波長比波長最短的無線電波還要小四個數(shù)量級，因而具有更大的傳遞信息和處理信息的能力。然而傳統(tǒng)的光學系統(tǒng)體積大、穩(wěn)定性差、光束的對準和準直困難，不能適應光電子技術應用發(fā)展的需要。采用類似于半導體集成電路的制造方法，把光學元件以薄膜形式集成在同一襯底上的集成光路，是解決光學系統(tǒng)集成問題的一種有效途徑。這樣的集成器件具有體積小、性能穩(wěn)定可靠、效率高、功耗低，使用方便等優(yōu)點。集成光路的應用領域是多方面的，除了光纖通信、光纖傳感器、光學信息處理和光計算機外，導波光學原理、薄膜光波導器件和回路還在向其它領域，如材料科學研究、光學儀器、光譜研究等方面滲透。
現(xiàn)在已經(jīng)做出了很多對應于較大光學元件的薄膜波導元件，如薄膜媒質(zhì)光波導、薄膜激光器、耦合器、調(diào)制器、開關、偏轉(zhuǎn)器、薄膜透鏡、棱鏡、探測器、濾波器、光學雙穩(wěn)態(tài)器件、半加器回路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、傅里葉變換器、頻譜分析儀、卷積、存儲器等。在光波導中，觀察到二次諧波產(chǎn)生、混頻、受激布里淵散射、受激喇曼發(fā)射等非線性光學效應，以及薄膜中像的傳輸和轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。一些光元件的集成也已經(jīng)實現(xiàn)，例如在同一襯底上實現(xiàn)激光器、波導、探測器三種典型元件的集成；六個分布式反饋激光器的集成；三個探測器的集成和注入式激光器和場效應晶體管的集成等。
受工藝的限制和成本的約束，集成光路也不一定要在單個襯底上集成所有的光學元件，很多時候是有限的幾種元件的集成，甚至在同一個襯底上只做同種元件的集成(單功能集成)。目前已經(jīng)出現(xiàn)了光學元件和電學元件的混合集成，今后還可能出現(xiàn)光、電、聲、磁元件結(jié)合在一起的集成芯片。利用前面提到的導電塑料和塑料芯片技術還有望開發(fā)出更先進的集成光路和高密度光存儲器件。
集成光路設計方法學與計算輔助設計工具
集成光路設計方法學與相應的計算機輔助設計工具是關系到集成光路能否大規(guī)模商用和形成一個產(chǎn)業(yè)的關鍵，是集成光路產(chǎn)業(yè)鏈中重要的一環(huán)。盡管它可以部分借鑒微電子領域集成電路設計方法學與計算機輔助設計工具的思想，但畢竟有很多的特殊性。目前世界各國的科學家和工程師的主要精力還都集中在集成光路的基礎研究中，對集成光路設計方法學的研究還基本是個空白，也沒有相應的計算機輔助設計工具可供使用。今后這是一個嶄新的課題需要人們?nèi)ソ鉀Q。
通信技術及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對集成光路的要求
光纖傳輸固有的容量大、損耗小、防電磁能力強和成本低等優(yōu)點，在通信網(wǎng)、特別是骨干傳輸網(wǎng)中得到了廣泛的應用，取得了決定性的地位。伴隨著通信網(wǎng)容量的快速增長和光纖成本的急劇下降，目前，光纖已開始從核心網(wǎng)向接入網(wǎng)進軍，有理由相信未來的網(wǎng)絡將是全光網(wǎng)。
盡管目前電子域的時分復用(TDM)系統(tǒng)的速度在實驗室內(nèi)已經(jīng)達到了40Gbps的水平，但是由于電子運動速率的極限性，已沒有多少潛力可挖了。但是在光領域中還有廣大的空間。光領域中的復用方式主要有光空分復用(OSDM)、光時分復用(OTDM)和波分復用(WDM)等三種。目前WDM技術比較成熟，已廣泛應用于通信傳輸網(wǎng)，并進步到密集波分復用(DWDM)，而OTDM和OSDM尚處于實驗研究階段。
在交換領域，目前通信網(wǎng)絡的主流交換設備仍然是工作在電子域、實現(xiàn)電子交換的電子設備。在這類網(wǎng)絡中，盡管已經(jīng)實現(xiàn)了信號的光纖傳輸，但是在進行交換前需要用光電轉(zhuǎn)換器件將從光纖傳輸來的光信號轉(zhuǎn)化成電信號，用電子交換設備實現(xiàn)信號交換，再用電光轉(zhuǎn)換器件將電信號轉(zhuǎn)換成光信號，通過光纖傳送出去。由于光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換的效率非常有限，通信網(wǎng)中實際上存在著“電子瓶頸”。為了提高信號交換速度和減少變換損耗克服通信網(wǎng)中的“電子瓶頸”，人們正在研究實現(xiàn)光信號的直接交換(波長到波長的交換)，即光交換。光交換有兩種基本模式：基于定長分組和同步節(jié)點操作的光透明分組網(wǎng)路(OTPN)和基于可變長分組和異步節(jié)點操作的光突發(fā)交換(OBS)。目前，OTPN還存在著成本和技術的障礙。
實現(xiàn)光交換的另外一項關鍵技術是集成光路技術，因為光交換設備的核心元器件是集成光路，如：光開關、光耦合器、光存儲器和波長控制器等。目前研究開發(fā)人員正在集中精力研制大容量廉價的光器件與集成光路，包括可變波長激光器、高頻調(diào)制器、波分復用/解復用器/濾波器、增益平坦和鎖定的SGL波段放大器、喇曼放大器、高頻光探測器、MEMS光開關等。象集成電路中的開關晶體管一樣，光交換中的核心是光開關。光開關以光的方式為信息選路。實現(xiàn)光開關的主要技術有微機械技術、氣泡技術、液晶技術、全息技術等。目前，實用化的主要有三類：電光開關、機械光開關、熱光開關等。近年來，基于MEMS技術的光開關被許多廠家看好。

結(jié)語
通信網(wǎng)絡的移動化和寬帶化趨勢和通信終端的個性化趨勢將為集成電路產(chǎn)業(yè)提供難得的發(fā)展機遇。已到中年的集成電路產(chǎn)業(yè)，通過SoC技術將必然會再一次呈現(xiàn)青春的氣息，實現(xiàn)系統(tǒng)與芯片的統(tǒng)一。包含嵌入式微處理器，高性能DSP、大容量存儲器及模擬電路的SoC，必然會以其高集成度、高速率、低功耗和智能化，低成本的優(yōu)勢影響和主導通信設備制造。而集成光路技術也必然會逐漸成熟，在高速、低損耗通信領域贏得它的地位和市場。■

作者簡介：魏少軍，博士，大唐電信科技股份有限公司總裁兼首席執(zhí)行官；清華大學教授，博士生導師；北京大學兼職教授；國家八六三計劃超大規(guī)模集成電路設計專項專家組專家；IEEE有價值會員；中國電子學會高級會員。