台湾大学联盟实现硅与碳化硅光子集成Tb级大容量光传输
发布时间：2019-11-14 08:42:26 热度：3514
11/14/2019，随着云计算业务呈现摩尔式增长，数据中心需要传输海量数据，对传输网络提出更高速、更大容量、更高密度、更低损耗的要求，为提高光网络的灵活性和自适应能力，各种不同结构的集成光学器件不断涌出。最近由台湾大学联合七大院校共同开发硅(Si)与碳化硅 (SiC) 基光子集成芯片已有相当进展，其中以碳化硅微环谐振器为基础的单通道50-Gbps极化解多工光子集成元件，也为更大容量更高速的Tbit/s级光网络传输信号处理提供未来应用发展的可能。
图片说明：左起依次为项目总负责人施天从教授，台湾大学林恭如教授与光纤在线编辑
由台湾大学林恭如教授带领的团队开发出的全光50-Gbps SiC微环谐振器的另一功能，是未来为了实现可控的可调谐谐振器，可以在微环增加制造微波电极。当电信号施加到集成的微波电极时，可提升碳化硅微环的折射率达成调制，另可通过热光效应改变其共振波长。可以说代表了首个完全集成、可通过热方式调谐的光学集成芯片。近期林教授的团队同时希望将完成芯片上的激光泵源与探测器，与可调谐的微环谐振器及驱动芯片混合集成，可应用于1.6-Tbps超大型数据中心突破现有传输瓶颈。
林教授表示：“尽管当前更多的光学传输和计算芯片都是由硅制成，我们的研究团队选择碳化硅材料为芯片基底，主要由于该材料具备很好的散热性能，在光通讯用波段内折射率(依其组成比例在1.9-2.3范围内可调)与吸收系数(<1e-5/cm)也比硅低，因此更容易在比硅波导尺寸大一点的情况下达到单模且具备更低光插入损耗操作与更高的耦合效率，因而对制程工艺的要求精度与成本得以降低让碳化硅波导组件的未来应用成为的可能。”
可以容忍更大的芯片波导尺寸，对之后的器件封装工艺带来更便捷、低成本方式将受到研究人员的追捧。有朝一日，碳化硅的全光子集成方案将用于一系列可重构的设备，如用于云计算和量子信息处理所需的相位/强度调制器以及可调谐光耦合器、滤波器、波长转换、格式转换与解多工器与逻辑操作元等。林教授的团队也在施天从教授所主持的整合研究项目中同时发展硅基光子集成组件平台，并已建立自主高速多种格式数据传输技术与量测验证平台，速率可达OOK-90Gbps，PAM-75GBaud，QAM/OFDM-70G Baud，足以提供未来应用于超大型数据中心高速硅光子集成芯片的分析所需。
该整合计划总主持人施天从教授表示：“100Gbps的以太网目前已经被大量使用于数据中心的网络连接，400Gbps传输也正在商用进程中，高速大容量传输是数据中心持续的需求与发展方向，项目研究充分发挥硅光子的高度集成化等优点，提出1.6Tbps大容量传输结构，进行完整的硅光子及激光器，驱动及IC等元件，并形成完整的传输系统。”
据了解，该大型整合计划利用硅光子技术，开发应用于数据中心的超高速率1.6Tbps光收发引擎，采用混合式结构，开发硅基光电系统芯片进行光信号处理与调制，同时开发大功率DFB激光器，高速驱动及放大IC，高效率耦光结构及高速电路板，及各式高带调变技术与测试平台，采用四波长四光纤的传输架构，计划完成后可展示发身及接收16通道的信号，总传输速率1.6Tbps，传输长度超过500米。该计划预计于2021年正式将研发成果推向市场，当前已经有相关核心芯片进行流片测试。
关于林恭如教授
林恭如教授1996年获台湾交通大学光电博士学位，现任台湾大学电机工程学系终身特聘与有庠科技讲座教授，并为国际电机电子工程师学会(IEEE)、美国光学学会(OSA)、国际光学工程学会(SPIE)、英国工程技术学会(IET)、英国皇家物理学会（IOP）会士 (Fellow)。他现任台湾光电学会(TPS)理事长、美国光学学会OSA巡回讲师与SPIE访问讲师，主要从事可见光照明与光纤与毫米波整合通信系统器件，硅/碳纳米结构物理光学性质及发光与光波导元件，光互连芯片系统应用与全光集成通讯信号处理，飞秒锁模光纤激光技术与通讯用光电组件量测应用，注入锁模的半导体激光器与分波复用被动光纤网络等方向的相关研究。
关于施天从教授
施天从教授1994年获台湾交通大学光电博士学位，现任高雄科技大学电子工程系特聘教授，历任鸿亚光电股份有限公司创办人/总经理/技术长，交通部/中华电信电信研究所副研究员兼分项计划/总计划主持人等职务，主要从事光电半导体组件及构装，光收发器设计及量测，高频电路分析仿真及设计，光纤通讯系统，光子晶体/硅光子组件设计技术，光纤雷射系统与倍频激光技术等相关研究。
由台湾大学林恭如教授带领的团队开发出的全光50-Gbps SiC微环谐振器的另一功能，是未来为了实现可控的可调谐谐振器，可以在微环增加制造微波电极。当电信号施加到集成的微波电极时，可提升碳化硅微环的折射率达成调制，另可通过热光效应改变其共振波长。可以说代表了首个完全集成、可通过热方式调谐的光学集成芯片。近期林教授的团队同时希望将完成芯片上的激光泵源与探测器，与可调谐的微环谐振器及驱动芯片混合集成，可应用于1.6-Tbps超大型数据中心突破现有传输瓶颈。
林教授表示：“尽管当前更多的光学传输和计算芯片都是由硅制成，我们的研究团队选择碳化硅材料为芯片基底，主要由于该材料具备很好的散热性能，在光通讯用波段内折射率(依其组成比例在1.9-2.3范围内可调)与吸收系数(<1e-5/cm)也比硅低，因此更容易在比硅波导尺寸大一点的情况下达到单模且具备更低光插入损耗操作与更高的耦合效率，因而对制程工艺的要求精度与成本得以降低让碳化硅波导组件的未来应用成为的可能。”
可以容忍更大的芯片波导尺寸，对之后的器件封装工艺带来更便捷、低成本方式将受到研究人员的追捧。有朝一日，碳化硅的全光子集成方案将用于一系列可重构的设备，如用于云计算和量子信息处理所需的相位/强度调制器以及可调谐光耦合器、滤波器、波长转换、格式转换与解多工器与逻辑操作元等。林教授的团队也在施天从教授所主持的整合研究项目中同时发展硅基光子集成组件平台，并已建立自主高速多种格式数据传输技术与量测验证平台，速率可达OOK-90Gbps，PAM-75GBaud，QAM/OFDM-70G Baud，足以提供未来应用于超大型数据中心高速硅光子集成芯片的分析所需。
该整合计划总主持人施天从教授表示：“100Gbps的以太网目前已经被大量使用于数据中心的网络连接，400Gbps传输也正在商用进程中，高速大容量传输是数据中心持续的需求与发展方向，项目研究充分发挥硅光子的高度集成化等优点，提出1.6Tbps大容量传输结构，进行完整的硅光子及激光器，驱动及IC等元件，并形成完整的传输系统。”
据了解，该大型整合计划利用硅光子技术，开发应用于数据中心的超高速率1.6Tbps光收发引擎，采用混合式结构，开发硅基光电系统芯片进行光信号处理与调制，同时开发大功率DFB激光器，高速驱动及放大IC，高效率耦光结构及高速电路板，及各式高带调变技术与测试平台，采用四波长四光纤的传输架构，计划完成后可展示发身及接收16通道的信号，总传输速率1.6Tbps，传输长度超过500米。该计划预计于2021年正式将研发成果推向市场，当前已经有相关核心芯片进行流片测试。
关于林恭如教授
林恭如教授1996年获台湾交通大学光电博士学位，现任台湾大学电机工程学系终身特聘与有庠科技讲座教授，并为国际电机电子工程师学会(IEEE)、美国光学学会(OSA)、国际光学工程学会(SPIE)、英国工程技术学会(IET)、英国皇家物理学会（IOP）会士 (Fellow)。他现任台湾光电学会(TPS)理事长、美国光学学会OSA巡回讲师与SPIE访问讲师，主要从事可见光照明与光纤与毫米波整合通信系统器件，硅/碳纳米结构物理光学性质及发光与光波导元件，光互连芯片系统应用与全光集成通讯信号处理，飞秒锁模光纤激光技术与通讯用光电组件量测应用，注入锁模的半导体激光器与分波复用被动光纤网络等方向的相关研究。
关于施天从教授
施天从教授1994年获台湾交通大学光电博士学位，现任高雄科技大学电子工程系特聘教授，历任鸿亚光电股份有限公司创办人/总经理/技术长，交通部/中华电信电信研究所副研究员兼分项计划/总计划主持人等职务，主要从事光电半导体组件及构装，光收发器设计及量测，高频电路分析仿真及设计，光纤通讯系统，光子晶体/硅光子组件设计技术，光纤雷射系统与倍频激光技术等相关研究。
