互聯(lián)網(wǎng)和智能終端的快速應用使得全球的數(shù)據(jù)量爆發(fā)式增長，極大地推動了高性能超算中心和數(shù)據(jù)中心市場的發(fā)展。數(shù)據(jù)中心機架與機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、高帶寬、低功耗等要求，銅互連已不能滿足這樣的要求，勢必要求信號通過光作為載體進行傳輸，在互連領域光進電退已經(jīng)成為必然趨勢。
光互連技術不斷從長距離向短距離拓展，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，是實現(xiàn)片上光互連的最佳選擇。硅材料由于其優(yōu)越的半導體特性和穩(wěn)定、成熟的制備工藝，是集成電路中運用最多的材料。
從上海交通大學區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室獲悉，陳建平教授課題組在硅基光電子方面進行了長期研究，在研究骨干周林杰教授帶領下實現(xiàn)了多種無源和有源核心器件，并面向光通信系統(tǒng)中信號處理，研發(fā)出幾款集成光電子芯片，推進光學系統(tǒng)小型化發(fā)展。
在當今信息時代，計算機和互聯(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)濟增長，也因此誕生了Google、Facebook、Alibaba等這些偉大的公司。人類對互聯(lián)網(wǎng)需求的不斷增加，驅(qū)動著通信技術朝著更高的帶寬發(fā)展。通信帶寬能夠不斷提高，光通信技術的發(fā)展是關鍵。半導體激光器、低損耗光纖、摻鉺光纖放大器和波分復用等技術的發(fā)明，使得光纖通信最先在長距離骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)中占據(jù)主導地位。
在過去的十幾年，隨著光通信技術的發(fā)展，對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材料來制作光子集成芯片也成了學術界和產(chǎn)業(yè)界關注的熱點。硅材料在近紅外通信波段透明、折射率對比度高，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激發(fā)兩個反向傳輸?shù)暮啿⒛Ｊ剑瑢崿F(xiàn)諧振頻率的精確對準和同步調(diào)控。”周林杰教授說。
該諧振器比傳統(tǒng)級聯(lián)微環(huán)諧振器更緊湊，頻譜可重構(gòu)滿足多方面應用需求。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溫度非常敏感的問題，針對這樣的問題，研究人員通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計獲得了溫度不敏感的干涉濾波器，進一步推動了硅基光電子器件的實用化發(fā)展。為了解決硅波導損耗問題，該團隊也開發(fā)了一種超薄硅波導技術，損耗可以大幅下降，為實現(xiàn)大規(guī)模集成提供了可能，也為波導光柵等高精度元件的制備提供了低成本的實現(xiàn)方案。
“我們實現(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路由芯片，每個開關單元內(nèi)均集成了熱光移相器和電光高速開關，具有相位誤差糾正和納秒量級高速開關切換的能力。”周林杰說，整個開關芯片總共集成了幾百個光電元件，很好地展示了硅光技術的高密度光電集成能力。
研究人員利用微環(huán)諧振器和級聯(lián)開關延遲陣列，研制了一款可調(diào)光緩存芯片，能實現(xiàn)納秒量級延時量的連續(xù)調(diào)節(jié)。為了減小開關有限消光比帶來的串擾，每條延遲波導上均集成了可調(diào)衰減器，大幅提高了延遲信號的信噪比。
“該光緩存芯片能實現(xiàn)對寬帶光信號的納秒量級延時調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)對多通道信號的精確同步以及解決數(shù)據(jù)競爭沖突問題，是構(gòu)建未來全光交換網(wǎng)絡必不可少的核心元件。該芯片同時在微波光子領域也有廣泛用途，例如在微波相控陣雷達中，可以克服電子移相器帶寬有限造成的孔徑渡越現(xiàn)象，是新體制雷達中的關鍵技術之一。” 周林杰說。
同時，團隊與華為合作研發(fā)了基于單驅(qū)動推挽行波電極的雙平行馬赫-曾德高速調(diào)制器，調(diào)制器幾項關鍵指標能與目前商用的調(diào)制器相媲美，但結(jié)構(gòu)更緊湊、價格更低廉并具備CMOS光電集成優(yōu)勢。該調(diào)制器已經(jīng)在華為傳輸系統(tǒng)上進行了測試，通過了高波特率QPSK、16QAM系統(tǒng)測試，未來可走向?qū)嵱没３藬?shù)字光通信方面的應用外，該團隊也積極探索硅基調(diào)制器在模擬信號處理方面的應用，面向片上微波光子集成，實現(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
光互連技術不斷從長距離向短距離拓展，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，是實現(xiàn)片上光互連的最佳選擇。硅材料由于其優(yōu)越的半導體特性和穩(wěn)定、成熟的制備工藝，是集成電路中運用最多的材料。
從上海交通大學區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室獲悉，陳建平教授課題組在硅基光電子方面進行了長期研究，在研究骨干周林杰教授帶領下實現(xiàn)了多種無源和有源核心器件，并面向光通信系統(tǒng)中信號處理，研發(fā)出幾款集成光電子芯片，推進光學系統(tǒng)小型化發(fā)展。
在當今信息時代，計算機和互聯(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)濟增長，也因此誕生了Google、Facebook、Alibaba等這些偉大的公司。人類對互聯(lián)網(wǎng)需求的不斷增加，驅(qū)動著通信技術朝著更高的帶寬發(fā)展。通信帶寬能夠不斷提高，光通信技術的發(fā)展是關鍵。半導體激光器、低損耗光纖、摻鉺光纖放大器和波分復用等技術的發(fā)明，使得光纖通信最先在長距離骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)中占據(jù)主導地位。
在過去的十幾年，隨著光通信技術的發(fā)展，對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材料來制作光子集成芯片也成了學術界和產(chǎn)業(yè)界關注的熱點。硅材料在近紅外通信波段透明、折射率對比度高，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激發(fā)兩個反向傳輸?shù)暮啿⒛Ｊ剑瑢崿F(xiàn)諧振頻率的精確對準和同步調(diào)控。”周林杰教授說。
該諧振器比傳統(tǒng)級聯(lián)微環(huán)諧振器更緊湊，頻譜可重構(gòu)滿足多方面應用需求。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溫度非常敏感的問題，針對這樣的問題，研究人員通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計獲得了溫度不敏感的干涉濾波器，進一步推動了硅基光電子器件的實用化發(fā)展。為了解決硅波導損耗問題，該團隊也開發(fā)了一種超薄硅波導技術，損耗可以大幅下降，為實現(xiàn)大規(guī)模集成提供了可能，也為波導光柵等高精度元件的制備提供了低成本的實現(xiàn)方案。
“我們實現(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路由芯片，每個開關單元內(nèi)均集成了熱光移相器和電光高速開關，具有相位誤差糾正和納秒量級高速開關切換的能力。”周林杰說，整個開關芯片總共集成了幾百個光電元件，很好地展示了硅光技術的高密度光電集成能力。
研究人員利用微環(huán)諧振器和級聯(lián)開關延遲陣列，研制了一款可調(diào)光緩存芯片，能實現(xiàn)納秒量級延時量的連續(xù)調(diào)節(jié)。為了減小開關有限消光比帶來的串擾，每條延遲波導上均集成了可調(diào)衰減器，大幅提高了延遲信號的信噪比。
“該光緩存芯片能實現(xiàn)對寬帶光信號的納秒量級延時調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)對多通道信號的精確同步以及解決數(shù)據(jù)競爭沖突問題，是構(gòu)建未來全光交換網(wǎng)絡必不可少的核心元件。該芯片同時在微波光子領域也有廣泛用途，例如在微波相控陣雷達中，可以克服電子移相器帶寬有限造成的孔徑渡越現(xiàn)象，是新體制雷達中的關鍵技術之一。” 周林杰說。
同時，團隊與華為合作研發(fā)了基于單驅(qū)動推挽行波電極的雙平行馬赫-曾德高速調(diào)制器，調(diào)制器幾項關鍵指標能與目前商用的調(diào)制器相媲美，但結(jié)構(gòu)更緊湊、價格更低廉并具備CMOS光電集成優(yōu)勢。該調(diào)制器已經(jīng)在華為傳輸系統(tǒng)上進行了測試，通過了高波特率QPSK、16QAM系統(tǒng)測試，未來可走向?qū)嵱没３藬?shù)字光通信方面的應用外，該團隊也積極探索硅基調(diào)制器在模擬信號處理方面的應用，面向片上微波光子集成，實現(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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