编者按
年是山东大学建校周年,也正值山东大学光学学科成立逾50周年之际,《中国激光》特别组织策划山东大学百廿校庆之“山大光学50年”纪念专辑本文来源于华中科技大学武汉光电国家研究中心张新亮教授和王健教授课题组,文章基于光场多个物理维度资源,分别对片上集成多维光互连和光处理的关键技术进行了回顾,并对其未来发展趋势进行了总结和展望。原文下载:王健,曹晓平,张新亮.片上集成多维光互连和光处理[J].中国激光,,48(12):6001
内封面文章
王健,曹晓平,张新亮.片上集成多维光互连和光处理[J].中国激光,,48(12):6001
封面解读
本封面展现了片上集成多维光互连和光处理的主要内容,其主要利用激光器、调制器、探测器、波长/偏振/模式处理器(微环、阵列波导光栅、偏振转换器、模式复用器)、光开关阵列等器件及其集成,提供芯片级多维光互连和光处理的解决方案。片上集成光互连和光处理利用光作为载波进行数据传输和信号处理,从而实现芯片和光纤等高速互连通信。结合光波的频率、偏振、时间、复振幅及空间结构等物理维度资源进行多维复用,可以进一步增大互连通信系统的容量。同时,片上集成光处理也呈现出高速大容量、多维度、多功能、可调谐、可重构及灵活智能化等趋势。
为突破后摩尔时代传统集成电路(IC)技术的瓶颈,推动高速大容量通信网络的快速发展,适应现代日益增长的信息容量需求,光互连以其独特的性能优势走入人们的视野,成为逐步取代传统电互连的重要技术手段。光作为载波进行信号传输,具有带宽大、损耗小、抗干扰能力强、可高速无串扰并行传输等优势。因此,片上集成光互连和光处理技术在数据中心的数据传输以及光通信网络交换节点处的信号处理等方面发挥着重要的作用。与此同时,为满足大数据时代日益增长的信息容量需求,如何有效提升系统通信容量也是一个亟需解决的问题。光子具有频率、偏振、时间、复振幅及空间结构等多个物理维度资源,可发展成为多种复用技术,进一步地,结合多种复用方式可以实现多维混合复用技术,从而进一步提高信号通道数目,增大片上光互连和光处理系统的容量。
图1片上集成多维光互连和光处理的特点及主要内容华中科技大学武汉光电国家研究中心张新亮教授和王健教授课题组聚焦光子多物理维度资源(图1),分别介绍了片上集成多维光互连和光处理两个方面的关键技术,在综述了相关方向最新研究进展的基础上,也对其未来发展趋势进行了展望。
片上集成多维光互连
01
片上多维信号数据传输
先进的高级调制格式和多维复用技术等已广泛用于传统光纤通信系统中,有效提升了通信系统的传输容量和频谱效率。
为了构建超大容量的片上集成光互连网络,片上集成多维光互连技术利用各种不同类型的集成光波导,研究其结合先进高级调制格式进行多维复用和高速数据传输的能力,展示了片上集成多维光互连的潜力(图2)。
图2不同类型的集成光波导实现多维光信号的片上数据传输
02
片上多维复用互连
高速激光器、调制器以及探测器等作为片上集成光互连的核心器件,大幅度提升了单通道光传输信号的比特率。
为了充分利用光子的多物理维度资源,集成复用解复用器是引入多维复用技术实现片上多信道并行传输的关键。针对光子的频率/波长、偏振、模式等物理维度,可分别发展片上波分复用(WDM)、偏振复用(PDM)以及模分复用(MDM)技术。
目前,针对单一物理维度的复用解复用器件已经发展得较为成熟。值得注意的是,多种复用方式的综合运用可以实现多维混合复用。通过多波长、双偏振、多模式的多维复用,可以进一步提高片上光互连系统的通道数目和传输容量,这也是片上光互连的必然发展趋势。
03
片上光学耦合互连
光学耦合技术,也是构成光互连系统的一个重要部分,其主要目的是提供一个光学连接的接口,可以通过光纤耦合连接外部光纤通信网络,充分发挥光互连芯片的应用潜力,同时其还可以用于光子芯片之间的互连,从而构建异构集成的片上光互连系统,解决硅基材料难以实现片上光源的问题。
04
光子集成互连芯片
基于激光器、调制器、探测器、多维复用解复用器等核心器件以及光子引线键合等光学耦合支撑技术,片上集成光互连目前也开始逐步走向应用。
如图3所示,片上集成的光收发芯片和光模块等正朝着高速和大容量的方向不断发展,不仅在短距离数据中心光互连中扮演着重要的角色,在长距离相干光通信系统中也发挥着重要的作用。
图3几种用于光互连的光子集成芯片。(a)混合集成硅光子发射模块;(b)全集成光收发网络;(c)双通道相干光收发器
片上集成多维光处理
01
片上波长维度光处理
伴随着光通信与光互连的快速发展,与之匹配的片上光处理技术也受到了广泛