打破电域限制！中国团队推出全球首款可编程全光信号处理芯片

据scitechdaily报道，由华中科技大学、上海交通大学、电子科技大学和南开大学等机构组成的中国研究团队，近日成功研制出全球首款可编程的单芯片全光信号处理（All-Optical Signal Processing，AOSP）芯片，可支持光滤波、信号再生和逻辑运算，打破传统硅光子需“光-电-光（O-E-O）”转换的限制，让数据从输入到输出全程维持光信号状态，迈向无需交换器的高速运算新构架。

全新光学芯片可实现超高速计算和数据处理

大数据时代的兴起给信息处理带来了重大挑战，尤其是在处理海量数据和控制能耗方面。目前超过90%的数据通过光波传输，而实际的数据处理仍然主要发生在电场中，这进一步加剧了这些问题。为了解决这种不匹配问题，出现了两种主要方法。一种方法是将信号从光转换为电，然后再转换回来（“光-电-光”转换，简称“O-E-O”转换）；另一种方法则专注于完全在光域内处理数据，这种方法被称为全光信号处理（AOSP）。

虽然O-E-O转换面临诸多限制，包括透明度方面的限制以及使用光电元件实现并行性的挑战，但AOSP提供了一种更具可扩展性的替代方案。通过采用合适的非线性工艺，AOSP可以在复杂性、成本和能效方面提升系统性能。人们对AOSP的兴趣可以追溯到20世纪80年代，当时人们最初使用体非线性器件进行探索。然而，近年来光子集成领域的突破显著加速了其发展。

在众多集成平台中，硅基光子技术已成为推动AOSP技术发展最具潜力的技术之一。硅光子技术支持多种功能，这些功能与现代光网络架构紧密相关。为了满足未来需求，光网络必须具备3T（格式透明、波长透明、带宽透明）、3M（多功能、多通道、多网络）和3S（自感知、自学习、自适应）等功能。因此，实现高度的可重构性和适应性对于未来的光网络以及AOSP在超大容量系统中的更广泛应用至关重要。

可编程AOSP芯片开发取得突破

由华中科技大学张新良（音译）教授、上海交通大学苏逸凯（音译）教授、电子科技大学邱坤（音译）教授和南开大学朱宁华（音译）院士组成的科研团队成功研发出一款单片集成可编程全光信号处理（AOSP）芯片。该芯片支持光学滤波、信号再生和逻辑运算等关键功能。该项目源于一项旨在开发基于硅的可重构AOSP技术的国家级项目。

△带电气和光学接口的封装八通道AOSP芯片

通过利用硅光子学的核心优势，如CMOS兼容性、最小的信号损失、紧凑的外形和强烈的光学非线性，研究人员已经生产出一种能够满足下一代光网络严格要求的芯片。

这些包括高速数据传输、与高级调制格式的兼容性以及对波长透明操作的支持。该团队已经通过实验验证了该芯片执行动态滤波、逻辑计算和信号再生的能力，为其在光通信、高级计算、成像和传感等前沿应用中的使用奠定了坚实的基础。

克服硅光子学的局限性

在绝缘体上硅（SOI）技术上开发可编程全光信号处理（AOSP）平台存在几个技术障碍。一个主要问题是，硅表现出与载流子相关的效应，特别是双光子吸收（TPA）和自由载流子吸收（FCA），这限制了可用于非线性相互作用的功率量，从而削弱了这些效应。此外，硅中的高折射率对比导致光场的严格限制，这增加了散射损失，使光传播的精确控制复杂化，并引入了显著的光学和热串扰。

为了克服这些局限性，研究人员引入了改进的制造方法、创新的器件结构和新型材料。其中一项关键进展涉及通过增强制造技术开发超低损耗硅波导和高质量微谐振器。这些组件支持集成光子滤波器，提供宽的、可重新配置的带宽和可调的自由光谱范围，允许对输入光信号进行高度灵活和精确的操纵。

△本项目中开发的每个光子芯片在柔性光网络场景中的作用（a）以及芯片与关键科学问题之间的关系（b）。

与此同时，已经实施了新的设计策略来增强非线性光学性能。这些包括具有反向偏置PIN结的脊波导、缝隙波导、多模波导和奇偶时间对称耦合微谐振器等结构。这些配置实现了一系列复杂的AOSP功能。例如，使用定制设计的单芯片可编程光学逻辑阵列实现了100 Gbit/s的逻辑运算。该平台还支持基于四波混频的高维多值逻辑处理。此外，高效的硅PIN波导实现了跨各种信号格式的稳健多通道幅度和相位再生，并证明了再生容量的空间缩放潜力。

为了应对密集集成系统中光学和热干扰的挑战，该团队开发了先进的光学布局和封装技术。这些创新支持紧凑、多功能、低能耗的芯片。因此，已经实现了四种不同的可编程AOSP芯片：可重构光子滤波器芯片、逻辑处理芯片、多维再生芯片和封装的多通道多功能AOSP芯片。

芯片性能指标和未来展望

本研究强调了可编程AOSP芯片开发的关键进展。通过结构和材料创新，解决了构建大规模集成AOSP光子芯片的关键挑战，如高传输损耗、弱非线性效应、有限的光场控制以及严重的光、电和热串扰。超低损耗硅波导的损耗低至0.17dB/cm，Q因子高达2.1106。

该研究团队已经实现了先进的集成滤波器，带宽可以从0.55 pm调谐到648.72 pm（即调谐超过三个数量级），FSR可以从0.06 nm调谐到1.86 nm（30倍）。绝对FWM转换效率已被证明高达12dB，这种高效率对于确保高性能逻辑和再生操作的成功至关重要。

实现了滤波、逻辑和再生的八通道多功能单芯片集成，在单个芯片上集成了136个器件（包括滤波器、逻辑门、再生器、光栅、MMI、电极等）。事实证明，总信号处理能力高达800 Gb/s（每信道运行速度为100 Gb/s），可以适应多种调制格式，包括DPSK和OOK。已经为逻辑运算生成了一套完整的CLU，QPSK再生已被证明可以将接收器灵敏度提高6dB以上。通过利用先进的光电封装技术，验证了多通道信号的芯片级路由和处理。

由于光学克尔非线性（在飞秒时间尺度上）的固有超快特性，这些努力为设计和制造更高速的大规模硅基AOSP芯片奠定了基础。展望未来，纳米制造技术、新材料和封装工艺的改进有望进一步提高AOSP芯片的性能和灵活性，为高速通信和先进计算提供更高效的光学解决方案，芯片上的光学元件将从过去的配角走向主角。如果未来逻辑运算、数据路由甚至內存存取都能在光域中完成，交换器是否仍为必要组件，势必将成为产业讨论的焦点。