交大周林杰：硅基光电子集成推进光学系统小型化发展

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7/5/2016，互联网和智能终端的快速应用使得全球的数据量爆发式增长，极大地推动了高性能超算中心和数据中心市场的发展。数据中心机架与机架之间以及未来多核处理器间数据通信需要满足低延时、高带宽、低功耗等要求，铜互连已不能满足这样的要求，势必要求信号通过光作为载体进行传输，在互连领域光进电退已经成为必然趋势。
　　光互连技术不断从长距离向短距离拓展，这就要求光器件必须朝着高速、小体积、低功耗的方向发展。集成光子器件由于其体积小、功耗低、稳定性好的特点，是实现片上光互连的最佳选择。硅材料由于其优越的半导体特性和稳定、成熟的制备工艺，是集成电路中运用最多的材料。
　　从上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室获悉，陈建平教授课题组在硅基光电子方面进行了长期研究，在研究骨干周林杰教授带领下实现了多种无源和有源核心器件，并面向光通信系统中信号处理，研发出几款集成光电子芯片，推进光学系统小型化发展。
　　在当今信息时代，计算机和互联网的发展深刻改变着人类的生活和思维方式，如今“比特”成为了新的工具，能创造出新的经济增长，也因此诞生了Google、Facebook、Alibaba等这些伟大的公司。人类对互联网需求的不断增加，驱动着通信技术朝着更高的带宽发展。通信带宽能够不断提高，光通信技术的发展是关键。半导体激光器、低损耗光纤、掺铒光纤放大器和波分复用等技术的发明，使得光纤通信最先在长距离骨干网和城域网中占据主导地位。
　　在过去的十几年，随着光通信技术的发展，对通信带宽需求的不断增加，光纤通信逐渐在更短距离的局域网、接入网取代了铜线，光纤到户也已经逐渐在世界范围得到普及。
　　近年来硅作为光波导材料来制作光子集成芯片也成了学术界和产业界关注的热点。硅材料在近红外通信波段透明、折射率对比度高，适合光子器件的高密度集成;另外，其制作工艺与传统的微电子工艺兼容，可以与集成电路相集成，大幅提高光电子芯片的性能并具有大规模低成本生产潜力。
　　“在无源器件方面，我们提出了一种新型的自耦合谐振器，可作为光子信息处理的基本单元。该自耦合谐振器能同时激发两个反向传输的简并模式，实现谐振频率的精确对准和同步调控。”周林杰教授说。
　　该谐振器比传统级联微环谐振器更紧凑，频谱可重构满足多方面应用需求。由于硅材料具有较大的热光系数，硅基光子器件存在着对温度非常敏感的问题，针对这样的问题，研究人员通过结构优化设计获得了温度不敏感的干涉滤波器，进一步推动了硅基光电子器件的实用化发展。为了解决硅波导损耗问题，该团队也开发了一种超薄硅波导技术，损耗可以大幅下降，为实现大规模集成提供了可能，也为波导光栅等高精度元件的制备提供了低成本的实现方案。
　　“我们实现了大规模光交换、大容量光缓存和高速光调制芯片。研制的无阻塞光开关路由芯片，每个开关单元内均集成了热光移相器和电光高速开关，具有相位误差纠正和纳秒量级高速开关切换的能力。”周林杰说，整个开关芯片总共集成了几百个光电元件，很好地展示了硅光技术的高密度光电集成能力。
　　研究人员利用微环谐振器和级联开关延迟阵列，研制了一款可调光缓存芯片，能实现纳秒量级延时量的连续调节。为了减小开关有限消光比带来的串扰，每条延迟波导上均集成了可调衰减器，大幅提高了延迟信号的信噪比。
　　“该光缓存芯片能实现对宽带光信号的纳秒量级延时调节，可以实现对多通道信号的精确同步以及解决数据竞争冲突问题，是构建未来全光交换网络必不可少的核心元件。该芯片同时在微波光子领域也有广泛用途，例如在微波相控阵雷达中，可以克服电子移相器带宽有限造成的孔径渡越现象，是新体制雷达中的关键技术之一。” 周林杰说。
　　同时，团队与华为合作研发了基于单驱动推挽行波电极的双平行马赫-曾德高速调制器，调制器几项关键指标能与目前商用的调制器相媲美，但结构更紧凑、价格更低廉并具备CMOS光电集成优势。该调制器已经在华为传输系统上进行了测试，通过了高波特率QPSK、16QAM系统测试，未来可走向实用化。除了数字光通信方面的应用外，该团队也积极探索硅基调制器在模拟信号处理方面的应用，面向片上微波光子集成，实现微波与光波在硅基芯片上的完美融合和协同作用。