7月10日消息，據(jù)scitechdaily報道，由華中科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、電子科技大學(xué)和南開大學(xué)等機構(gòu)組成的中國研究團隊，近日成功研制出全球首款可編程的單芯片全光信號處理（All-Optical Signal Processing，AOSP）芯片，可支持光濾波、信號再生和邏輯運算，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狀態(tài)，邁向無需交換器的高速運算新構(gòu)架。

全新光學(xué)芯片可實現(xiàn)超高速計算和數(shù)據(jù)處理

大數(shù)據(jù)時代的興起給信息處理帶來了重大挑戰(zhàn)，尤其是在處理海量數(shù)據(jù)和控制能耗方面。目前超過90%的數(shù)據(jù)通過光波傳輸，而實際的數(shù)據(jù)處理仍然主要發(fā)生在電場中，這進一步加劇了這些問題。為了解決這種不匹配問題，出現(xiàn)了兩種主要方法。一種方法是將信號從光轉(zhuǎn)換為電，然后再轉(zhuǎn)換回來（“光-電-光”轉(zhuǎn)換，簡稱“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現(xiàn)并行性的挑戰(zhàn)，但AOSP提供了一種更具可擴展性的替代方案。通過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AOSP的興趣可以追溯到20世紀80年代，當時人們最初使用體非線性器件進行探索。然而，近年來光子集成領(lǐng)域的突破顯著加速了其發(fā)展。

在眾多集成平臺中，硅基光子技術(shù)已成為推動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)。為了滿足未來需求，光網(wǎng)絡(luò)必須具備3T（格式透明、波長透明、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，實現(xiàn)高度的可重構(gòu)性和適應(yīng)性對于未來的光網(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）教授和南開大學(xué)朱寧華（音譯）院士組成的科研團隊成功研發(fā)出一款單片集成可編程全光信號處理（AOSP）芯片。該芯片支持光學(xué)濾波、信號再生和邏輯運算等關(guān)鍵功能。該項目源于一項旨在開發(fā)基于硅的可重構(gòu)AOSP技術(shù)的國家級項目。

△帶電氣和光學(xué)接口的封裝八通道AOSP芯片

通過利用硅光子學(xué)的核心優(yōu)勢，如CMOS兼容性、最小的信號損失、緊湊的外形和強烈的光學(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)嚴格要求的芯片。

這些包括高速數(shù)據(jù)傳輸、與高級調(diào)制格式的兼容性以及對波長透明操作的支持。該團隊已經(jīng)通過實驗驗證了該芯片執(zhí)行動態(tài)濾波、邏輯計算和信號再生的能力，為其在光通信、高級計算、成像和傳感等前沿應(yīng)用中的使用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

克服硅光子學(xué)的局限性

在絕緣體上硅（SOI）技術(shù)上開發(fā)可編程全光信號處理（AOSP）平臺存在幾個技術(shù)障礙。一個主要問題是，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，硅中的高折射率對比導(dǎo)致光場的嚴格限制，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)和熱串擾。

為了克服這些局限性，研究人員引入了改進的制造方法、創(chuàng)新的器件結(jié)構(gòu)和新型材料。其中一項關(guān)鍵進展涉及通過增強制造技術(shù)開發(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，允許對輸入光信號進行高度靈活和精確的操縱。

△本項目中開發(fā)的每個光子芯片在柔性光網(wǎng)絡(luò)場景中的作用（a）以及芯片與關(guān)鍵科學(xué)問題之間的關(guān)系（b）。

與此同時，已經(jīng)實施了新的設(shè)計策略來增強非線性光學(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)和奇偶時間對稱耦合微諧振器等結(jié)構(gòu)。這些配置實現(xiàn)了一系列復(fù)雜的AOSP功能。例如，使用定制設(shè)計的單芯片可編程光學(xué)邏輯陣列實現(xiàn)了100 Gbit/s的邏輯運算。該平臺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)實現(xiàn)了跨各種信號格式的穩(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)對密集集成系統(tǒng)中光學(xué)和熱干擾的挑戰(zhàn)，該團隊開發(fā)了先進的光學(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。

芯片性能指標和未來展望

本研究強調(diào)了可編程AOSP芯片開發(fā)的關(guān)鍵進展。通過結(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)、有限的光場控制以及嚴重的光、電和熱串擾。超低損耗硅波導(dǎo)的損耗低至0.17dB/cm，Q因子高達2.1106。

該研究團隊已經(jīng)實現(xiàn)了先進的集成濾波器，帶寬可以從0.55 pm調(diào)諧到648.72 pm（即調(diào)諧超過三個數(shù)量級），F(xiàn)SR可以從0.06 nm調(diào)諧到1.86 nm（30倍）。絕對FWM轉(zhuǎn)換效率已被證明高達12dB，這種高效率對于確保高性能邏輯和再生操作的成功至關(guān)重要。

實現(xiàn)了濾波、邏輯和再生的八通道多功能單芯片集成，在單個芯片上集成了136個器件（包括濾波器、邏輯門、再生器、光柵、MMI、電極等）。事實證明，總信號處理能力高達800 Gb/s（每信道運行速度為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。通過利用先進的光電封裝技術(shù)，驗證了多通道信號的芯片級路由和處理。

由于光學(xué)克爾非線性（在飛秒時間尺度上）的固有超快特性，這些努力為設(shè)計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，納米制造技術(shù)、新材料和封裝工藝的改進有望進一步提高AOSP芯片的性能和靈活性，為高速通信和先進計算提供更高效的光學(xué)解決方案，芯片上的光學(xué)元件將從過去的配角走向主角。如果未來邏輯運算、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，勢必將成為產(chǎn)業(yè)討論的焦點。