[发明专利]一种单片集成收发一体光电芯片及集成芯片阵列

说明书

技术领域

本发明涉及光电技术领域，更具体地，涉及一种单片集成收发一体光电芯片及集成芯片阵列。

背景技术

近年来信息技术领域的进步日新月异，从商业、工业、通信、社会服务等各个领域向人们的日常工作、生活的各个方面逐步加速渗透，互联网、云计算、大数据等现代信息技术深刻改变着人类的思维、生产、生活、学习方式，深刻展示了世界发展的前景，并进而更进一步推动了自身的飞速发展。在我国，云计算和大数据服务也受到了极大的关注和推动，国家十二五规划纲要、“十二五”国家战略性新兴产业发展规划将云计算列为新一代信息技术产业的重点领域。2015年《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》中更具体提到要实施国家大数据战略，这标志着大数据已被国家纳入创新战略层面，成为国家战略计划的核心任务之一。进而，作为大数据战略服务支撑的云计算也同时获得了新的发展契机。目前，国家工信部正在制定大数据产业和云计算的“十三五”发展规划。

技术上看这一重要的“云”基本上由三个同等重要的系统构成。存储用户数据和信息资源的数据中心、联结各个数据中心的网络及联结终端用户到各个数据中心的网络。对于数据中心，其由多层交换机或路由器架构起所有服务器之间的互联通道以及与外部网络的联通与交换，光互联技术在其网络架构中起着决定性作用，几乎所有的交换机和路由器间的连接都由其实现，而且目前光互联技术更进一步渗透到服务器组交换机到服务器和服务器之间的连接领域。光互联的优势包括满足不断更新的应用对多种特性流量的联接需求、节能、交换转变的快速性、波分复用和并行联接的可行性、降低路由节点数、竞争解决和高速的光连接存储。目前已投入使用的100G的光互联方案如下表1所示。

表1：三种100G技术

备注：上表中，MMF：多模光纤；SMF：单模光纤；DFB：分布反馈布拉格。

目前主要研究的光互联技术方案有两种，基于垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)和多模光纤的方案，基于分布反馈布拉格(D绝缘层tributed Feedback Laser，DFB)激光器和单模光纤的方案。对于两种方案其收发端的研究重点是VCSEL和硅光子学集成芯片(Si-Photonics)，其评价主要从三个方面来考虑：考虑集成度的单位体积或面积带宽密度(Gb/s/mm3或Gb/s/mm2)、考虑功耗的单位速率功耗(pJ/bit或mW/Gb/s)以及考虑成本的单位带宽成本($/Gb/s)。而在实际应用中，99％以上的光互联距离都在300m以下，所以基于垂直腔面发射激光器的方案更为业界所重视。

对于垂直腔面发射激光器，自1996年首支VCSEL投入商用以来,已经有超过3亿支激光器应用在数据通信系统中。商用系统中应用的VCSEL传输速率也从1996年的1Gb/s逐步提升到2014年的28Gb/s。研究表明，80％应用多模光纤的互连距离小于100m，目前实际应用中VCSEL通常与符合OM3标准的多模光纤配合使用，可以支持单信道10Gb/s下100m的光互联或25Gb/s下75m的光互联。对于更高的传输速率要求目前通常是采用多光纤通道的并联方式实现，如4×10Gb/s、4×25Gb/s或8×12.5Gb/s等来实现40Gb/s到100Gb/s的传输速率。垂直腔面发射激光由上下两层反射镜(p-DBR和n-DBR)夹持着量子阱(QWs)有源区构成，由正/负电极(p-contact/n-contact)注入的电流被氧化层(oxide layer)形成的窗口限制。