Opt. Exp., vol.17, p.11107(2009)
“Thresholdless nanoscale coaxial lasers” Nature, vol. 482, p.204, 2012.
13
Nature Photonics 4, 395 - 399 (2010)
回音壁模式(WGM)
无损耗传输线上的脉冲长度
电压1V电互连能量与传输线长度(67pF/m)或脉冲宽度关系
D.A.B. Miller, IEEE Proc., Proc. IEEE , 97(7), 1166(2009).
5
Si基光电集成--光互连
Intel 波分复用50 Gbps S i 基集成光收发芯片
连 片外
光 互
0
Detuning (nm) 15000
Detuning (nm)
Quality factor
-0.5
10000
5000
1546 1548 1550 1552 1554
Wavelength (nm)
-0.5 0.0 0.5 Detuning (nm)
a0 acx2a0
12
ac x 80
a0
金属层限制纳激光器
片 内 光 互
连
光层 存储层
逻辑
IBM提出的3D芯片>70Tbps的层片
外光互连
Luxtera 4×10Gbps光缆 4×14Gbps 4x28Gbps
Luxtera CMOS技术QSFP MSA 4x10Gbps光缆，距离4000m, 20mW/Gb/s
6
研究背景-光互连技术
芯片内部光电子集成芯片示意图 Opt. Express 20, 4454 (2012)
1V驱动电压下，100fJ能量产生电子空穴对能使~20µm2的5个量子阱层实 现载流子反转 光探测所需能量与探测器体积成正比 微纳激光器和探测器
传输能量
1pJ
1000m3
电互连能量 10,000m3
100fJ
100m3
10fJ 10m3 光互连光能量
1fJ
1ns 100ps 10ps 1ps
100fs
(Y. Arakawa, NTT Technical Review, 11, 1, 2013)
7
报告提纲
I. 背景 II. 光学微腔及应用 III. 多边形微腔激光器 IV. 模式耦合及定向输出圆形微腔激光器 V. 微腔激光器与光子集成
8
光学微腔
典型的三种光学微腔:
FP型微腔：代表(VCSEL) WG型微腔：利用高折射率介质与低折射率介质间的全反射来获 得模式光场限制 PC型微腔：完整光子晶体中引入缺陷，利用光子晶体的禁带获 得光场限制
P. Kogge, “The tops in flops,”IEEE Spectrum, Feb. 2011
3
互连能耗比较
130 Байду номын сангаасm,1.2 V集成电路片外电 光互连,带宽: ~10Gbps
互连能耗40~60mW/Gbps 片外 40~60pJ/bit, 片内3pJ/bit
距离0.5m, 能耗: ~10mW/Gbps
面向光子集成和光互连的 微腔激光器
1
报告提纲
I. 背景 II. 光学微腔及应用 III. 多边形微腔激光器 IV. 模式耦合及定向输出圆形微腔激光器 V. 微腔激光器与光子集成
2
高性能计算机的发展
背景
最大能耗来自数据传输(互连)，1018 (百亿亿)次超级计算机能耗将达1.5GW, 需要一座核电站提供，需要新的架构和技术
P. Michler et al, Science, vol. 290, p.2282(2000)
15
定向输出圆盘形微腔激光器
• 变形圆微腔
Appl. Phys. Lett., 62, 561(1993)
与波导耦合微腔激光器
侧向耦合
径向耦合
Appl. Phys. Lett., 84, 2485(2004)
11
S. Matsuo, et al, Opt. Exp., vol.19, p.2243(2011)
超快非局域控制自发辐射
Wavelength (nm)
腔内自发辐射速率：
Q-factor change:
Q Q
65%
1551
0
Q V
c
2c
2 4 c
0
2
~ 200ps
1550
0.5
1549
-0.5 0.0 0.5
14
Mie Scattering, Mie G, Ann. Phys., 25(4):377 (1908)
微盘激光器
全内反射Total internal reflection
APL,83,797(2003)
Adv. Matt., vol.25, p.707(2013)
S. L. McCall et al, Appl. Phys. Lett., vol.60, 289 (1992), Electron. Lett., vol.28, p.1010(1992)
天坛回音壁(1530)
John Strutt, Lord Rayleigh（1842-1919）
Theory of sound in St. Paul’s Cathedral L. Rayleigh，The problem of the whispering gallery, Phil.Mag.,
20, 1001(1910)
K. Vahala, “Optical microcavities,” Nature 24, 839 (2003) 9
9
法布里－珀罗腔半导体激光器
垂直腔面发射激光器（VCSEL）
10
高速直调光子晶体激光器
20-Gbit/s modulated PC nanocavity laser
K. Takeda, Nature Photon., vol. 7, p.569(2013)
垂直耦合
Opt. Lett., 35, 1722 (2010) 16Appl. Phys. Lett., 100, 061125(2012)
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electronics, 16, 1363 (2010) 16
距离100m, 能耗: ~50mW/Gbps
100m光互连能耗与片外电互连能耗相当
4
4
光互连是降低能耗提高速率的关键
完全充放电的传输线长度
100mm 10mm 1mm 100m 10m
10pJ
光探测器体积100,000m3
(a)2003年 服务器电缆；(b)2000年HP电缆； (c) 标准PCIe-x16电缆； (d)2007年有源光缆. 电缆传输距离2~3m,光缆传输距离100m