集成多維光互連和光處理的主要內(nèi)容，其主要利用激光器、調(diào)制器、探測(cè)器、波長(zhǎng)/偏振/模式處理器(微環(huán)、陣列波導(dǎo)光柵、偏振轉(zhuǎn)換器、模式復(fù)用器)、光開關(guān)陣列等器件及其集成，提供芯片級(jí)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和信號(hào)處理，從而實(shí)現(xiàn)芯片和光纖等高速互連通信。結(jié)合光波的頻率、偏振、時(shí)間、復(fù)振幅及空間結(jié)構(gòu)等物理維度資源進(jìn)行多維復(fù)用，可以進(jìn)一步增大互連通信系統(tǒng)的容量。同時(shí)，片上集成光處理也呈現(xiàn)出高速大容量、多維度、多功能、可調(diào)諧、可重構(gòu)及靈活智能化等趨勢(shì)。

　　為突破后摩爾時(shí)代傳統(tǒng)集成電路(IC)技術(shù)的瓶頸，推動(dòng)高速大容量通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，適應(yīng)現(xiàn)代日益增長(zhǎng)的信息容量需求，光互連以其的性能優(yōu)勢(shì)走入人們的視野，成為逐步取代傳統(tǒng)電互連的重要技術(shù)手段。

　　光作為載波進(jìn)行信號(hào)傳輸，具有帶寬大、損耗小、抗干擾能力強(qiáng)、可高速無串?dāng)_并行傳輸?shù)葍?yōu)勢(shì)。因此，片上集成光互連和光處理技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸以及光通信網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點(diǎn)處的信號(hào)處理等方面發(fā)揮著重要的作用。

　　與此同時(shí)，為滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代日益增長(zhǎng)的信息容量需求，如何有效提升系統(tǒng)通信容量也是一個(gè)亟需解決的問題。光子具有頻率、偏振、時(shí)間、復(fù)振幅及空間結(jié)構(gòu)等多個(gè)物理維度資源，可發(fā)展成為多種復(fù)用技術(shù)，進(jìn)一步地，結(jié)合多種復(fù)用方式可以實(shí)現(xiàn)多維混合復(fù)用技術(shù)，從而進(jìn)一步提高信號(hào)通道數(shù)目，增大片上光互連和光處理系統(tǒng)的容量。

　　圖1 片上集成多維光互連和光處理的特點(diǎn)及主要內(nèi)容

　　華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)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(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)，并通過介紹相關(guān)最新研究進(jìn)展，對(duì)其未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

　　片上集成多維光互連

1. 片上多維信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸

   
   

　　先進(jìn)的高級(jí)調(diào)制格式和多維復(fù)用技術(shù)等已廣泛用于傳統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)中, 有效提升了通信系統(tǒng)的傳輸容量和頻譜效率。

　　為了構(gòu)建超大容量的片上集成光互連網(wǎng)絡(luò)，片上集成多維光互連技術(shù)利用各種不同類型的集成光波導(dǎo)，研究其結(jié)合先進(jìn)高級(jí)調(diào)制格式進(jìn)行多維復(fù)用和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Γ故玖似霞啥嗑S光互連的潛力(圖2)。

　　圖2 不同類型的集成光波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)多維光信號(hào)的片上數(shù)據(jù)傳輸

　　2. 片上多維復(fù)用互連

　　高速激光器、調(diào)制器以及探測(cè)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(hào)的比特率。

　　為了充分利用光子的多物理維度資源，集成復(fù)用解復(fù)用器是引入多維復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)片上多信道并行傳輸?shù)年P(guān)鍵。針對(duì)光子的頻率/波長(zhǎng)、偏振、模式等物理維度，可分別發(fā)展片上波分復(fù)用(WDM)、偏振復(fù)用(PDM)以及模分復(fù)用(MDM)技術(shù)。

　　目前，針對(duì)單一物理維度的復(fù)用解復(fù)用器件已經(jīng)發(fā)展得較為成熟。值得注意的是，多種復(fù)用方式的綜合運(yùn)用可以實(shí)現(xiàn)多維混合復(fù)用。通過多波長(zhǎng)、雙偏振、多模式的多維復(fù)用，可以進(jìn)一步提高片上光互連系統(tǒng)的通道數(shù)目和傳輸容量，這也是片上光互連的必然發(fā)展趨勢(shì)。

　　3. 片上光學(xué)耦合互連

　　光學(xué)耦合技術(shù)，也是構(gòu)成光互連系統(tǒng)的一個(gè)重要部分，其主要目的是提供一個(gè)光學(xué)連接的接口，可以通過光纖耦合連接外部光纖通信網(wǎng)絡(luò)，充分發(fā)揮光互連芯片的應(yīng)用潛力，同時(shí)其還可以用于光子芯片之間的互連，從而構(gòu)建異構(gòu)集成的片上光互連系統(tǒng)，解決硅基材料難以實(shí)現(xiàn)片上光源的問題。

　　4. 光子集成互連芯片

　　基于激光器、調(diào)制器、探測(cè)器、多維復(fù)用解復(fù)用器等核心器件以及光子引線鍵合等光學(xué)耦合支撐技術(shù)，片上集成光互連目前也開始逐步走向應(yīng)用。

　　如圖3所示，片上集成的光收發(fā)芯片和光模塊等正朝著高速和大容量的方向不斷發(fā)展，不僅在短距離數(shù)據(jù)中心光互連中扮演著重要的角色，在長(zhǎng)距離相干光通信系統(tǒng)中也發(fā)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(fā)射模塊;(b) 全集成光收發(fā)網(wǎng)絡(luò);(c) 雙通道相干光收發(fā)器

　　片上集成多維光處理

       5.片上波長(zhǎng)維度光處理

　　伴隨著光通信與光互連的快速發(fā)展，與之匹配的片上光處理技術(shù)也受到了廣泛關(guān)注。目前，片上集成光處理呈現(xiàn)出高速大容量、多維度、多功能、可調(diào)諧、可重構(gòu)及靈活智能化等趨勢(shì)。

　　首先，基于波長(zhǎng)維度的片上波長(zhǎng)調(diào)控技術(shù)通常包括波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換、光學(xué)頻率梳、波長(zhǎng)濾波、波分復(fù)用等，其中，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換和光學(xué)頻率梳等通常利用光波導(dǎo)中的非線性效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。

　　如圖4所示，硅波導(dǎo)中的高折射率差可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)局域的光場(chǎng)限制，從而大大增強(qiáng)非線性，因此可以作為非線性光信號(hào)處理的理想平臺(tái)，比如可以利用波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換機(jī)理實(shí)現(xiàn)光邏輯和多進(jìn)制光計(jì)算等光處理功能。

　　另外，隨著光通信技術(shù)的發(fā)展以及基于片上高品質(zhì)微諧振器的克爾頻率梳的實(shí)現(xiàn)，片上光頻梳技術(shù)在密集波分復(fù)用、多波長(zhǎng)超短脈沖產(chǎn)生、光學(xué)任意波形產(chǎn)生等領(lǐng)域也獲得了廣泛應(yīng)用。

　　圖4 基于硅波導(dǎo)非線性效應(yīng)的多進(jìn)制光計(jì)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(fù)用解復(fù)用、多模波導(dǎo)彎曲、多模波導(dǎo)交叉等多模光子學(xué)器件的研究推動(dòng)下發(fā)展迅速，用于靈活模式操控的高性能模式調(diào)控器件也引起了越來越多的關(guān)注，主要包括模式轉(zhuǎn)換、模式交換、模式可重構(gòu)分插復(fù)用等。

　　7. 片上偏振維度光處理

　　偏振維度也是片上光信號(hào)處理的一個(gè)重點(diǎn)。對(duì)于硅波導(dǎo)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(yīng)顯著，大多數(shù)硅波導(dǎo)器件偏振相關(guān)，因此片上偏振調(diào)控和處理非常重要。

　　偏振起偏器、偏振分束器和偏振旋轉(zhuǎn)器等都屬于基本的片上偏振處理器件并得到了快速發(fā)展。除此之外，片上偏振態(tài)產(chǎn)生合成、偏振分析檢測(cè)以及片上手性光子器件等更復(fù)雜的偏振處理功能也受到了越來越多的關(guān)注。

　　8. 片上智能化光處理

　　盡管片上光信號(hào)處理近年來獲得了廣泛的關(guān)注，基于光子各個(gè)物理維度的光處理功能器件也發(fā)展迅速，但對(duì)于大多數(shù)集成功能器件而言，其應(yīng)用靈活性仍然存在一定局限。

　　為適應(yīng)未來各種新興光信號(hào)處理應(yīng)用的需求，通常要求片上光處理器件具有一定的調(diào)諧和重構(gòu)功能，特別是片上可重構(gòu)和可編程的多任務(wù)光信號(hào)處理功能。

　　近年來，隨著人工智能領(lǐng)域的興起，研究人員對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究也不斷深入。

　　如圖5所示，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過模仿神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中各層神經(jīng)元之間的連接，并依賴大量處理單元互連執(zhí)行線性運(yùn)算和非線性操作，從而構(gòu)建自適應(yīng)的信息處理系統(tǒng)，具有良好的智能特征，在計(jì)算機(jī)視覺、自動(dòng)駕駛、生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

　　對(duì)于片上光處理，其未來趨勢(shì)也將從可編程可重構(gòu)的片上光處理發(fā)展為片上智能光處理，片上全光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(xué)在數(shù)據(jù)密集型人工智能應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)并行、快速和高效計(jì)算硬件的潛力。

　　圖5 片上智能光信號(hào)處理。(a) 多模波導(dǎo)中任意混合模式的自動(dòng)解擾;(b) 自配置的可重構(gòu)硅光信號(hào)處理器;(c) 全光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片架構(gòu);(d) 基于集成光子張量核的并行卷積處理

　　總結(jié)和展望

　　為滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代海量數(shù)據(jù)高速傳輸與處理的應(yīng)用需求，現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展離不開片上集成的多維光互連與光處理技術(shù)。

　　對(duì)于片上多維光互連，光子集成芯片、相干光接收機(jī)及光收發(fā)模塊等已經(jīng)逐漸走向產(chǎn)業(yè)化，在長(zhǎng)距離相干光通信和短距離數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。

　　同時(shí)，片上多維光處理也開始朝著多功能、可重構(gòu)、可編程和智能化的方向發(fā)展，對(duì)于光通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處高速靈活的數(shù)據(jù)信息管理具有重要意義。

　　參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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