7月10日消息，據(jù)scitechdaily報(bào)道，由華中科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、電子科技大學(xué)和南開(kāi)大學(xué)等機(jī)構(gòu)組成的中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)，近日成功研制出全球首款可編程的單芯片全光信號(hào)處理(All-Optical Signal Processing，AOSP)芯片，可支持光濾波、信號(hào)再生和邏輯運(yùn)算，打破傳統(tǒng)硅光子需“光-電-光(O-E-O)”轉(zhuǎn)換的限制，讓數(shù)據(jù)從輸入到輸出全程維持光信號(hào)狀態(tài)，邁向無(wú)需交換器的高速運(yùn)算新構(gòu)架。

　　全新光學(xué)芯片可實(shí)現(xiàn)超高速計(jì)算和數(shù)據(jù)處理

　　大數(shù)據(jù)時(shí)代的興起給信息處理帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)，尤其是在處理海量數(shù)據(jù)和控制能耗方面。目前超過(guò)90%的數(shù)據(jù)通過(guò)光波傳輸，而實(shí)際的數(shù)據(jù)處理仍然主要發(fā)生在電場(chǎng)中，這進(jìn)一步加劇了這些問(wèn)題。為了解決這種不匹配問(wèn)題，出現(xiàn)了兩種主要方法。一種方法是將信號(hào)從光轉(zhuǎn)換為電，然后再轉(zhuǎn)換回來(lái)(“光-電-光”轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)稱“O-E-O”轉(zhuǎn)換);另一種方法則專注于完全在光域內(nèi)處理數(shù)據(jù)，這種方法被稱為全光信號(hào)處理(AOSP)。

　　雖然O-E-O轉(zhuǎn)換面臨諸多限制，包括透明度方面的限制以及使用光電元件實(shí)現(xiàn)并行性的挑戰(zhàn)，但AOSP提供了一種更具可擴(kuò)展性的替代方案。通過(guò)采用合適的非線性工藝，AOSP可以在復(fù)雜性、成本和能效方面提升系統(tǒng)性能。人們對(duì)AOSP的興趣可以追溯到20世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)人們最初使用體非線性器件進(jìn)行探索。然而，近年來(lái)光子集成領(lǐng)域的突破顯著加速了其發(fā)展。

　　在眾多集成平臺(tái)中，硅基光子技術(shù)已成為推動(dòng)AOSP技術(shù)發(fā)展最具潛力的技術(shù)之一。硅光子技術(shù)支持多種功能，這些功能與現(xiàn)代光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)緊密相關(guān)。為了滿足未來(lái)需求，光網(wǎng)絡(luò)必須具備3T(格式透明、波長(zhǎng)透明、帶寬透明)、3M(多功能、多通道、多網(wǎng)絡(luò))和3S(自感知、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng))等功能。因此，實(shí)現(xiàn)高度的可重構(gòu)性和適應(yīng)性對(duì)于未來(lái)的光網(wǎng)絡(luò)以及AOSP在超大容量系統(tǒng)中的更廣泛應(yīng)用至關(guān)重要。

　　可編程AOSP芯片開(kāi)發(fā)取得突破

　　由華中科技大學(xué)張新良(音譯)教授、上海交通大學(xué)蘇逸凱(音譯)教授、電子科技大學(xué)邱坤(音譯)教授和南開(kāi)大學(xué)朱寧華(音譯)院士組成的科研團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出一款單片集成可編程全光信號(hào)處理(AOSP)芯片。該芯片支持光學(xué)濾波、信號(hào)再生和邏輯運(yùn)算等關(guān)鍵功能。該項(xiàng)目源于一項(xiàng)旨在開(kāi)發(fā)基于硅的可重構(gòu)AOSP技術(shù)的國(guó)家級(jí)項(xiàng)目。

　　通過(guò)利用硅光子學(xué)的核心優(yōu)勢(shì)，如CMOS兼容性、最小的信號(hào)損失、緊湊的外形和強(qiáng)烈的光學(xué)非線性，研究人員已經(jīng)生產(chǎn)出一種能夠滿足下一代光網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)格要求的芯片。

　　這些包括高速數(shù)據(jù)傳輸、與高級(jí)調(diào)制格式的兼容性以及對(duì)波長(zhǎng)透明操作的支持。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該芯片執(zhí)行動(dòng)態(tài)濾波、邏輯計(jì)算和信號(hào)再生的能力，為其在光通信、高級(jí)計(jì)算、成像和傳感等前沿應(yīng)用中的使用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　克服硅光子學(xué)的局限性

　　在絕緣體上硅(SOI)技術(shù)上開(kāi)發(fā)可編程全光信號(hào)處理(AOSP)平臺(tái)存在幾個(gè)技術(shù)障礙。一個(gè)主要問(wèn)題是，硅表現(xiàn)出與載流子相關(guān)的效應(yīng)，特別是雙光子吸收(TPA)和自由載流子吸收(FCA)，這限制了可用于非線性相互作用的功率量，從而削弱了這些效應(yīng)。此外，硅中的高折射率對(duì)比導(dǎo)致光場(chǎng)的嚴(yán)格限制，這增加了散射損失，使光傳播的精確控制復(fù)雜化，并引入了顯著的光學(xué)和熱串?dāng)_。

　　為了克服這些局限性，研究人員引入了改進(jìn)的制造方法、創(chuàng)新的器件結(jié)構(gòu)和新型材料。其中一項(xiàng)關(guān)鍵進(jìn)展涉及通過(guò)增強(qiáng)制造技術(shù)開(kāi)發(fā)超低損耗硅波導(dǎo)和高質(zhì)量微諧振器。這些組件支持集成光子濾波器，提供寬的、可重新配置的帶寬和可調(diào)的自由光譜范圍，允許對(duì)輸入光信號(hào)進(jìn)行高度靈活和精確的操縱。

　　與此同時(shí)，已經(jīng)實(shí)施了新的設(shè)計(jì)策略來(lái)增強(qiáng)非線性光學(xué)性能。這些包括具有反向偏置PIN結(jié)的脊波導(dǎo)、縫隙波導(dǎo)、多模波導(dǎo)和奇偶時(shí)間對(duì)稱耦合微諧振器等結(jié)構(gòu)。這些配置實(shí)現(xiàn)了一系列復(fù)雜的AOSP功能。例如，使用定制設(shè)計(jì)的單芯片可編程光學(xué)邏輯陣列實(shí)現(xiàn)了100 Gbit/s的邏輯運(yùn)算。該平臺(tái)還支持基于四波混頻的高維多值邏輯處理。此外，高效的硅PIN波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了跨各種信號(hào)格式的穩(wěn)健多通道幅度和相位再生，并證明了再生容量的空間縮放潛力。

　　為了應(yīng)對(duì)密集集成系統(tǒng)中光學(xué)和熱干擾的挑戰(zhàn)，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了先進(jìn)的光學(xué)布局和封裝技術(shù)。這些創(chuàng)新支持緊湊、多功能、低能耗的芯片。因此，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了四種不同的可編程AOSP芯片：可重構(gòu)光子濾波器芯片、邏輯處理芯片、多維再生芯片和封裝的多通道多功能AOSP芯片。

　　芯片性能指標(biāo)和未來(lái)展望

　　本研究強(qiáng)調(diào)了可編程AOSP芯片開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵進(jìn)展。通過(guò)結(jié)構(gòu)和材料創(chuàng)新，解決了構(gòu)建大規(guī)模集成AOSP光子芯片的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，如高傳輸損耗、弱非線性效應(yīng)、有限的光場(chǎng)控制以及嚴(yán)重的光、電和熱串?dāng)_。超低損耗硅波導(dǎo)的損耗低至0.17dB/cm，Q因子高達(dá)2.1106。

　　該研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)的集成濾波器，帶寬可以從0.55 pm調(diào)諧到648.72 pm(即調(diào)諧超過(guò)三個(gè)數(shù)量級(jí))，F(xiàn)SR可以從0.06 nm調(diào)諧到1.86 nm(30倍)。絕對(duì)FWM轉(zhuǎn)換效率已被證明高達(dá)12dB，這種高效率對(duì)于確保高性能邏輯和再生操作的成功至關(guān)重要。

　　實(shí)現(xiàn)了濾波、邏輯和再生的八通道多功能單芯片集成，在單個(gè)芯片上集成了136個(gè)器件(包括濾波器、邏輯門、再生器、光柵、MMI、電極等)。事實(shí)證明，總信號(hào)處理能力高達(dá)800 Gb/s(每信道運(yùn)行速度為100 Gb/s)，可以適應(yīng)多種調(diào)制格式，包括DPSK和OOK。已經(jīng)為邏輯運(yùn)算生成了一套完整的CLU，QPSK再生已被證明可以將接收器靈敏度提高6dB以上。通過(guò)利用先進(jìn)的光電封裝技術(shù)，驗(yàn)證了多通道信號(hào)的芯片級(jí)路由和處理。

　　由于光學(xué)克爾非線性(在飛秒時(shí)間尺度上)的固有超快特性，這些努力為設(shè)計(jì)和制造更高速的大規(guī)模硅基AOSP芯片奠定了基礎(chǔ)。展望未來(lái)，納米制造技術(shù)、新材料和封裝工藝的改進(jìn)有望進(jìn)一步提高AOSP芯片的性能和靈活性，為高速通信和先進(jìn)計(jì)算提供更高效的光學(xué)解決方案，芯片上的光學(xué)元件將從過(guò)去的配角走向主角。如果未來(lái)邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)路由甚至內(nèi)存存取都能在光域中完成，交換器是否仍為必要組件，勢(shì)必將成為產(chǎn)業(yè)討論的焦點(diǎn)。