利用激光器、調制器、探測器實現芯片和光纖等高速互連通信

　　集成多維光互連和光處理的主要內容，其主要利用激光器、調制器、探測器、波長/偏振/模式處理器(微環、陣列波導光柵、偏振轉換器、模式復用器)、光開關陣列等器件及其集成，提供芯片級多維光互連和光處理的解決方案。片上集成光互連和光處理利用光作為載波進行數據傳輸和信號處理，從而實現芯片和光纖等高速互連通信。結合光波的頻率、偏振、時間、復振幅及空間結構等物理維度資源進行多維復用，可以進一步增大互連通信系統的容量。同時，片上集成光處理也呈現出高速大容量、多維度、多功能、可調諧、可重構及靈活智能化等趨勢。

　　為突破后摩爾時代傳統集成電路(IC)技術的瓶頸，推動高速大容量通信網絡的快速發展，適應現代日益增長的信息容量需求，光互連以其的性能優勢走入人們的視野，成為逐步取代傳統電互連的重要技術手段。

　　光作為載波進行信號傳輸，具有帶寬大、損耗小、抗干擾能力強、可高速無串擾并行傳輸等優勢。因此，片上集成光互連和光處理技術在數據中心的數據傳輸以及光通信網絡交換節點處的信號處理等方面發揮著重要的作用。

　　與此同時，為滿足大數據時代日益增長的信息容量需求，如何有效提升系統通信容量也是一個亟需解決的問題。光子具有頻率、偏振、時間、復振幅及空間結構等多個物理維度資源，可發展成為多種復用技術，進一步地，結合多種復用方式可以實現多維混合復用技術，從而進一步提高信號通道數目，增大片上光互連和光處理系統的容量。

　　圖1 片上集成多維光互連和光處理的特點及主要內容

　　華中科技大學武漢光電國家研究中心張新亮教授和王健教授課題組聚焦光子多物理維度資源(圖1)，分別介紹了片上集成多維光互連和光處理兩個方面的關鍵技術，并通過介紹相關最新研究進展，對其未來發展趨勢進行了展望。

　　片上集成多維光互連

1. 片上多維信號數據傳輸

   
   

　　先進的高級調制格式和多維復用技術等已廣泛用于傳統光纖通信系統中, 有效提升了通信系統的傳輸容量和頻譜效率。

　　為了構建超大容量的片上集成光互連網絡，片上集成多維光互連技術利用各種不同類型的集成光波導，研究其結合先進高級調制格式進行多維復用和高速數據傳輸的能力，展示了片上集成多維光互連的潛力(圖2)。

　　圖2 不同類型的集成光波導實現多維光信號的片上數據傳輸

　　2. 片上多維復用互連

　　高速激光器、調制器以及探測器等作為片上集成光互連的核心器件，大幅度提升了單通道光傳輸信號的比特率。

　　為了充分利用光子的多物理維度資源，集成復用解復用器是引入多維復用技術實現片上多信道并行傳輸的關鍵。針對光子的頻率/波長、偏振、模式等物理維度，可分別發展片上波分復用(WDM)、偏振復用(PDM)以及模分復用(MDM)技術。

　　目前，針對單一物理維度的復用解復用器件已經發展得較為成熟。值得注意的是，多種復用方式的綜合運用可以實現多維混合復用。通過多波長、雙偏振、多模式的多維復用，可以進一步提高片上光互連系統的通道數目和傳輸容量，這也是片上光互連的必然發展趨勢。

　　3. 片上光學耦合互連

　　光學耦合技術，也是構成光互連系統的一個重要部分，其主要目的是提供一個光學連接的接口，可以通過光纖耦合連接外部光纖通信網絡，充分發揮光互連芯片的應用潛力，同時其還可以用于光子芯片之間的互連，從而構建異構集成的片上光互連系統，解決硅基材料難以實現片上光源的問題。

　　4. 光子集成互連芯片

　　基于激光器、調制器、探測器、多維復用解復用器等核心器件以及光子引線鍵合等光學耦合支撐技術，片上集成光互連目前也開始逐步走向應用。

　　如圖3所示，片上集成的光收發芯片和光模塊等正朝著高速和大容量的方向不斷發展，不僅在短距離數據中心光互連中扮演著重要的角色，在長距離相干光通信系統中也發揮著重要的作用。

　　圖3 幾種用于光互連的光子集成芯片。(a) 混合集成硅光子發射模塊;(b) 全集成光收發網絡;(c) 雙通道相干光收發器

　　片上集成多維光處理

       5.片上波長維度光處理

　　伴隨著光通信與光互連的快速發展，與之匹配的片上光處理技術也受到了廣泛關注。目前，片上集成光處理呈現出高速大容量、多維度、多功能、可調諧、可重構及靈活智能化等趨勢。

　　首先，基于波長維度的片上波長調控技術通常包括波長轉換、光學頻率梳、波長濾波、波分復用等，其中，波長轉換和光學頻率梳等通常利用光波導中的非線性效應來實現。

　　如圖4所示，硅波導中的高折射率差可以實現強局域的光場限制，從而大大增強非線性，因此可以作為非線性光信號處理的理想平臺，比如可以利用波長轉換機理實現光邏輯和多進制光計算等光處理功能。

　　另外，隨著光通信技術的發展以及基于片上高品質微諧振器的克爾頻率梳的實現，片上光頻梳技術在密集波分復用、多波長超短脈沖產生、光學任意波形產生等領域也獲得了廣泛應用。

　　圖4 基于硅波導非線性效應的多進制光計算

　　6. 片上模式維度光處理

　　近年來，片上模式維度光處理在模式復用解復用、多模波導彎曲、多模波導交叉等多模光子學器件的研究推動下發展迅速，用于靈活模式操控的高性能模式調控器件也引起了越來越多的關注，主要包括模式轉換、模式交換、模式可重構分插復用等。

　　7. 片上偏振維度光處理

　　偏振維度也是片上光信號處理的一個重點。對于硅波導而言，由于硅和空氣或二氧化硅包層存在高折射率差，雙折射效應顯著，大多數硅波導器件偏振相關，因此片上偏振調控和處理非常重要。

　　偏振起偏器、偏振分束器和偏振旋轉器等都屬于基本的片上偏振處理器件并得到了快速發展。除此之外，片上偏振態產生合成、偏振分析檢測以及片上手性光子器件等更復雜的偏振處理功能也受到了越來越多的關注。

　　8. 片上智能化光處理

　　盡管片上光信號處理近年來獲得了廣泛的關注，基于光子各個物理維度的光處理功能器件也發展迅速，但對于大多數集成功能器件而言，其應用靈活性仍然存在一定局限。

　　為適應未來各種新興光信號處理應用的需求，通常要求片上光處理器件具有一定的調諧和重構功能，特別是片上可重構和可編程的多任務光信號處理功能。

　　近年來，隨著人工智能領域的興起，研究人員對人工神經網絡的研究也不斷深入。

　　如圖5所示，人工神經網絡通過模仿神經網絡系統結構，建立神經網絡中各層神經元之間的連接，并依賴大量處理單元互連執行線性運算和非線性操作，從而構建自適應的信息處理系統，具有良好的智能特征，在計算機視覺、自動駕駛、生物醫學等眾多領域廣泛應用。

　　對于片上光處理，其未來趨勢也將從可編程可重構的片上光處理發展為片上智能光處理，片上全光神經網絡以及光子張量核等光子AI芯片的相繼提出，充分顯示了集成光子學在數據密集型人工智能應用中實現并行、快速和高效計算硬件的潛力。

　　圖5 片上智能光信號處理。(a) 多模波導中任意混合模式的自動解擾;(b) 自配置的可重構硅光信號處理器;(c) 全光神經網絡芯片架構;(d) 基于集成光子張量核的并行卷積處理

　　總結和展望

　　為滿足大數據時代海量數據高速傳輸與處理的應用需求，現代通信網絡的發展離不開片上集成的多維光互連與光處理技術。

　　對于片上多維光互連，光子集成芯片、相干光接收機及光收發模塊等已經逐漸走向產業化，在長距離相干光通信和短距離數據中心系統中發揮著重要作用。

　　同時，片上多維光處理也開始朝著多功能、可重構、可編程和智能化的方向發展，對于光通信網絡節點處高速靈活的數據信息管理具有重要意義。

　　參考文獻： 中國光學期刊網

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