互聯(lián)網(wǎng)和智能終端的快速應(yīng)用使得全球的數(shù)據(jù)量爆發(fā)式增長(zhǎng)，極大地推動(dòng)了高性能超算中心和數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)的發(fā)展。數(shù)據(jù)中心機(jī)架與機(jī)架之間以及未來多核處理器間數(shù)據(jù)通信需要滿足低延時(shí)、高帶寬、低功耗等要求，銅互連已不能滿足這樣的要求，勢(shì)必要求信號(hào)通過光作為載體進(jìn)行傳輸，在互連領(lǐng)域光進(jìn)電退已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。
光互連技術(shù)不斷從長(zhǎng)距離向短距離拓展，這就要求光器件必須朝著高速、小體積、低功耗的方向發(fā)展。集成光子器件由于其體積小、功耗低、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)片上光互連的最佳選擇。硅材料由于其優(yōu)越的半導(dǎo)體特性和穩(wěn)定、成熟的制備工藝，是集成電路中運(yùn)用最多的材料。
從上海交通大學(xué)區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獲悉，陳建平教授課題組在硅基光電子方面進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，在研究骨干周林杰教授帶領(lǐng)下實(shí)現(xiàn)了多種無源和有源核心器件，并面向光通信系統(tǒng)中信號(hào)處理，研發(fā)出幾款集成光電子芯片，推進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)小型化發(fā)展。
在當(dāng)今信息時(shí)代，計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展深刻改變著人類的生活和思維方式，如今“比特”成為了新的工具，能創(chuàng)造出新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，也因此誕生了Google、Facebook、Alibaba等這些偉大的公司。人類對(duì)互聯(lián)網(wǎng)需求的不斷增加，驅(qū)動(dòng)著通信技術(shù)朝著更高的帶寬發(fā)展。通信帶寬能夠不斷提高，光通信技術(shù)的發(fā)展是關(guān)鍵。半導(dǎo)體激光器、低損耗光纖、摻鉺光纖放大器和波分復(fù)用等技術(shù)的發(fā)明，使得光纖通信最先在長(zhǎng)距離骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位。
在過去的十幾年，隨著光通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)通信帶寬需求的不斷增加，光纖通信逐漸在更短距離的局域網(wǎng)、接入網(wǎng)取代了銅線，光纖到戶也已經(jīng)逐漸在世界范圍得到普及。
近年來硅作為光波導(dǎo)材料來制作光子集成芯片也成了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。硅材料在近紅外通信波段透明、折射率對(duì)比度高，適合光子器件的高密度集成;另外，其制作工藝與傳統(tǒng)的微電子工藝兼容，可以與集成電路相集成，大幅提高光電子芯片的性能并具有大規(guī)模低成本生產(chǎn)潛力。
“在無源器件方面，我們提出了一種新型的自耦合諧振器，可作為光子信息處理的基本單元。該自耦合諧振器能同時(shí)激發(fā)兩個(gè)反向傳輸?shù)暮?jiǎn)并模式，實(shí)現(xiàn)諧振頻率的精確對(duì)準(zhǔn)和同步調(diào)控。”周林杰教授說。
該諧振器比傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)微環(huán)諧振器更緊湊，頻譜可重構(gòu)滿足多方面應(yīng)用需求。由于硅材料具有較大的熱光系數(shù)，硅基光子器件存在著對(duì)溫度非常敏感的問題，針對(duì)這樣的問題，研究人員通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得了溫度不敏感的干涉濾波器，進(jìn)一步推動(dòng)了硅基光電子器件的實(shí)用化發(fā)展。為了解決硅波導(dǎo)損耗問題，該團(tuán)隊(duì)也開發(fā)了一種超薄硅波導(dǎo)技術(shù)，損耗可以大幅下降，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成提供了可能，也為波導(dǎo)光柵等高精度元件的制備提供了低成本的實(shí)現(xiàn)方案。
“我們實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模光交換、大容量光緩存和高速光調(diào)制芯片。研制的無阻塞光開關(guān)路由芯片，每個(gè)開關(guān)單元內(nèi)均集成了熱光移相器和電光高速開關(guān)，具有相位誤差糾正和納秒量級(jí)高速開關(guān)切換的能力。”周林杰說，整個(gè)開關(guān)芯片總共集成了幾百個(gè)光電元件，很好地展示了硅光技術(shù)的高密度光電集成能力。
研究人員利用微環(huán)諧振器和級(jí)聯(lián)開關(guān)延遲陣列，研制了一款可調(diào)光緩存芯片，能實(shí)現(xiàn)納秒量級(jí)延時(shí)量的連續(xù)調(diào)節(jié)。為了減小開關(guān)有限消光比帶來的串?dāng)_，每條延遲波導(dǎo)上均集成了可調(diào)衰減器，大幅提高了延遲信號(hào)的信噪比。
“該光緩存芯片能實(shí)現(xiàn)對(duì)寬帶光信號(hào)的納秒量級(jí)延時(shí)調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多通道信號(hào)的精確同步以及解決數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)沖突問題，是構(gòu)建未來全光交換網(wǎng)絡(luò)必不可少的核心元件。該芯片同時(shí)在微波光子領(lǐng)域也有廣泛用途，例如在微波相控陣?yán)走_(dá)中，可以克服電子移相器帶寬有限造成的孔徑渡越現(xiàn)象，是新體制雷達(dá)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。” 周林杰說。
同時(shí)，團(tuán)隊(duì)與華為合作研發(fā)了基于單驅(qū)動(dòng)推挽行波電極的雙平行馬赫-曾德高速調(diào)制器，調(diào)制器幾項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)能與目前商用的調(diào)制器相媲美，但結(jié)構(gòu)更緊湊、價(jià)格更低廉并具備CMOS光電集成優(yōu)勢(shì)。該調(diào)制器已經(jīng)在華為傳輸系統(tǒng)上進(jìn)行了測(cè)試，通過了高波特率QPSK、16QAM系統(tǒng)測(cè)試，未來可走向?qū)嵱没?。除了?shù)字光通信方面的應(yīng)用外，該團(tuán)隊(duì)也積極探索硅基調(diào)制器在模擬信號(hào)處理方面的應(yīng)用，面向片上微波光子集成，實(shí)現(xiàn)微波與光波在硅基芯片上的完美融合和協(xié)同作用。
圖2 封裝后的16x16高速光開關(guān)陣列芯片
圖3封裝后的大容量光延遲線芯片
圖4 硅基調(diào)制器芯片
光互連技術(shù)不斷從長(zhǎng)距離向短距離拓展，這就要求光器件必須朝著高速、小體積、低功耗的方向發(fā)展。集成光子器件由于其體積小、功耗低、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)片上光互連的最佳選擇。硅材料由于其優(yōu)越的半導(dǎo)體特性和穩(wěn)定、成熟的制備工藝，是集成電路中運(yùn)用最多的材料。
從上海交通大學(xué)區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獲悉，陳建平教授課題組在硅基光電子方面進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，在研究骨干周林杰教授帶領(lǐng)下實(shí)現(xiàn)了多種無源和有源核心器件，并面向光通信系統(tǒng)中信號(hào)處理，研發(fā)出幾款集成光電子芯片，推進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)小型化發(fā)展。
在當(dāng)今信息時(shí)代，計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展深刻改變著人類的生活和思維方式，如今“比特”成為了新的工具，能創(chuàng)造出新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，也因此誕生了Google、Facebook、Alibaba等這些偉大的公司。人類對(duì)互聯(lián)網(wǎng)需求的不斷增加，驅(qū)動(dòng)著通信技術(shù)朝著更高的帶寬發(fā)展。通信帶寬能夠不斷提高，光通信技術(shù)的發(fā)展是關(guān)鍵。半導(dǎo)體激光器、低損耗光纖、摻鉺光纖放大器和波分復(fù)用等技術(shù)的發(fā)明，使得光纖通信最先在長(zhǎng)距離骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位。
在過去的十幾年，隨著光通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)通信帶寬需求的不斷增加，光纖通信逐漸在更短距離的局域網(wǎng)、接入網(wǎng)取代了銅線，光纖到戶也已經(jīng)逐漸在世界范圍得到普及。
近年來硅作為光波導(dǎo)材料來制作光子集成芯片也成了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。硅材料在近紅外通信波段透明、折射率對(duì)比度高，適合光子器件的高密度集成;另外，其制作工藝與傳統(tǒng)的微電子工藝兼容，可以與集成電路相集成，大幅提高光電子芯片的性能并具有大規(guī)模低成本生產(chǎn)潛力。
“在無源器件方面，我們提出了一種新型的自耦合諧振器，可作為光子信息處理的基本單元。該自耦合諧振器能同時(shí)激發(fā)兩個(gè)反向傳輸?shù)暮?jiǎn)并模式，實(shí)現(xiàn)諧振頻率的精確對(duì)準(zhǔn)和同步調(diào)控。”周林杰教授說。
該諧振器比傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)微環(huán)諧振器更緊湊，頻譜可重構(gòu)滿足多方面應(yīng)用需求。由于硅材料具有較大的熱光系數(shù)，硅基光子器件存在著對(duì)溫度非常敏感的問題，針對(duì)這樣的問題，研究人員通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得了溫度不敏感的干涉濾波器，進(jìn)一步推動(dòng)了硅基光電子器件的實(shí)用化發(fā)展。為了解決硅波導(dǎo)損耗問題，該團(tuán)隊(duì)也開發(fā)了一種超薄硅波導(dǎo)技術(shù)，損耗可以大幅下降，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成提供了可能，也為波導(dǎo)光柵等高精度元件的制備提供了低成本的實(shí)現(xiàn)方案。
“我們實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模光交換、大容量光緩存和高速光調(diào)制芯片。研制的無阻塞光開關(guān)路由芯片，每個(gè)開關(guān)單元內(nèi)均集成了熱光移相器和電光高速開關(guān)，具有相位誤差糾正和納秒量級(jí)高速開關(guān)切換的能力。”周林杰說，整個(gè)開關(guān)芯片總共集成了幾百個(gè)光電元件，很好地展示了硅光技術(shù)的高密度光電集成能力。
研究人員利用微環(huán)諧振器和級(jí)聯(lián)開關(guān)延遲陣列，研制了一款可調(diào)光緩存芯片，能實(shí)現(xiàn)納秒量級(jí)延時(shí)量的連續(xù)調(diào)節(jié)。為了減小開關(guān)有限消光比帶來的串?dāng)_，每條延遲波導(dǎo)上均集成了可調(diào)衰減器，大幅提高了延遲信號(hào)的信噪比。
“該光緩存芯片能實(shí)現(xiàn)對(duì)寬帶光信號(hào)的納秒量級(jí)延時(shí)調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多通道信號(hào)的精確同步以及解決數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)沖突問題，是構(gòu)建未來全光交換網(wǎng)絡(luò)必不可少的核心元件。該芯片同時(shí)在微波光子領(lǐng)域也有廣泛用途，例如在微波相控陣?yán)走_(dá)中，可以克服電子移相器帶寬有限造成的孔徑渡越現(xiàn)象，是新體制雷達(dá)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。” 周林杰說。
同時(shí)，團(tuán)隊(duì)與華為合作研發(fā)了基于單驅(qū)動(dòng)推挽行波電極的雙平行馬赫-曾德高速調(diào)制器，調(diào)制器幾項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)能與目前商用的調(diào)制器相媲美，但結(jié)構(gòu)更緊湊、價(jià)格更低廉并具備CMOS光電集成優(yōu)勢(shì)。該調(diào)制器已經(jīng)在華為傳輸系統(tǒng)上進(jìn)行了測(cè)試，通過了高波特率QPSK、16QAM系統(tǒng)測(cè)試，未來可走向?qū)嵱没?。除了?shù)字光通信方面的應(yīng)用外，該團(tuán)隊(duì)也積極探索硅基調(diào)制器在模擬信號(hào)處理方面的應(yīng)用，面向片上微波光子集成，實(shí)現(xiàn)微波與光波在硅基芯片上的完美融合和協(xié)同作用。
圖1 硅基光電子8英寸晶圓
圖3封裝后的大容量光延遲線芯片
圖4 硅基調(diào)制器芯片
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