智能化可重構(gòu)硅光集成器件及芯片應(yīng)用研究

（浙江大學(xué)，浙江 杭州 310058）

(Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

在過去幾十年中，硅光子學(xué)以其互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝兼容和超高集成密度等突出優(yōu)點(diǎn)得到了巨大發(fā)展，在低成本大規(guī)模光子集成回路方面具有廣闊的應(yīng)用前景，從而滿足日新月異的高速大帶寬信息傳輸和處理的重大需求[1-2]。在信號傳輸和處理過程中，智能化需求日益迫切，以更為靈活高效地實(shí)現(xiàn)帶寬及信道資源的優(yōu)化調(diào)配；因此，發(fā)展可重構(gòu)光子集成芯片尤為重要。其中，最具有代表性的可重構(gòu)器件包括可調(diào)諧光濾波器、可調(diào)光延時(shí)線、光開關(guān)等，這些器件已廣泛應(yīng)用于微波光子學(xué)[1]、量子光學(xué)[2]、機(jī)器學(xué)習(xí)[3]、光通信[4]等領(lǐng)域。

實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)光子芯片的關(guān)鍵在于根據(jù)需要對光波導(dǎo)有效折射率進(jìn)行調(diào)控。常見的幾種工作機(jī)制主要包括熱光效應(yīng)、電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)等。鑒于熱光器件具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單和制造工藝方便等突出優(yōu)點(diǎn)，且硅材料具有強(qiáng)熱光效應(yīng)（1.8×10-4K-1）和高熱傳導(dǎo)能力（約149 W/mK）[5], 熱光效應(yīng)是可重構(gòu)硅光子器件最常用的物理機(jī)制之一。近10年來，熱可重構(gòu)硅光器件及芯片以其低損耗、高消光比、緊湊封裝和低功耗等特點(diǎn)得到廣泛發(fā)展[6]。

作為最具代表性的可重構(gòu)光子器件之一，可重構(gòu)光濾波器在許多光學(xué)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。特別地，利用可重構(gòu)光濾波器可靈活地選擇任意波長信道，這對于波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)及頻譜分析系統(tǒng)尤為重要。當(dāng)前，已有多種用于實(shí)現(xiàn)硅光濾波器的典型結(jié)構(gòu)，如馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）[7]、陣列波導(dǎo)光柵（AWG）[8]、微環(huán)諧振器（MRR）[9]、布拉格光柵濾波器[10]等，如圖1所示。通過進(jìn)一步引入合適的微加熱器構(gòu)建移相器則可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)光濾波器。

光開關(guān)是另一個(gè)最具代表性的可重構(gòu)光子器件，用于實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)/系統(tǒng)中全光信號路切換和開關(guān)，其中，MZI和MRR是兩種最常用實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的結(jié)構(gòu)[11-14]。MZI開關(guān)是一種寬帶器件，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)通道的開關(guān)切換，而MRR光開關(guān)是一種波長選擇性開關(guān)，適合于單通道的選擇性開關(guān)切換；因此，這兩種開關(guān)都是WDM系統(tǒng)關(guān)鍵器件。除了 WDM系統(tǒng)，人們還針對模分復(fù)用（MDM）系統(tǒng)的需求，開展了多模硅光開關(guān)及芯片研究。

在過去幾年里，大規(guī)?？芍貥?gòu)硅光集成回路（PICs）研究取得了巨大的進(jìn)展，廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域[15-17]，如圖1所示。人們研制多種硅基熱可重構(gòu)光分插復(fù)用（ROADM）芯片，以滿足WDM系統(tǒng)、MDM系統(tǒng)甚以及WDMMDM混合復(fù)用系統(tǒng)的重大需求[18]，同時(shí)針對微波光子學(xué)應(yīng)用需求，還研制了多種可重構(gòu)硅基集成回路，實(shí)現(xiàn)了片上多功能切換[1]。此外，可重構(gòu)硅光子學(xué)已經(jīng)擴(kuò)展到量子光子學(xué)領(lǐng)域[19]，比如，目前已研制出的全重構(gòu)硅量子集成回路在單個(gè)芯片中實(shí)現(xiàn)了多個(gè)復(fù)雜的量子任務(wù)。

本文將對可重構(gòu)硅光子學(xué)及其應(yīng)用的最新進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)和討論，主要包括可調(diào)諧光濾波器、光開關(guān)及其可重構(gòu)硅光集成回路等方面。

1 可重構(gòu)硅光集成器件

由于硅材料具有顯著的熱光效應(yīng)和優(yōu)異的熱傳導(dǎo)特性，人們發(fā)展了一系列熱調(diào)可重構(gòu)硅光集成器件，其中最具代表性的有可調(diào)諧濾波器和光開關(guān)兩種類型的器件。

1.1 可調(diào)諧硅光濾波器

作為一種關(guān)鍵器件，可調(diào)諧光濾波器在WDM系統(tǒng)中發(fā)揮著非常重要的作用。WDM系統(tǒng)根據(jù)信道間距可分為兩類，即粗波分復(fù)用（CWDM）和密集波分復(fù)用（DWDM）。CWDM具有通道數(shù)少、通道間隔大（如Δλch=20 nm）的特點(diǎn)，對器件溫度不敏感性要求較低，廣泛應(yīng)用于O波段數(shù)據(jù)中心和無源光網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)；相比之下，DWDM通道間隔窄（如Δλch= 0.1、0.2、0.4和0.8 nm）、通道數(shù)多（如40、80或160），通常應(yīng)用在C波段。為滿足不同需求，人們已研制了一系列不同結(jié)構(gòu)的光濾波器，主要包括AWG、MZI、MRR和Bragg光柵等類型。

AWG由于其獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)信號傅里葉變換，因而在WDM和正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)中都得到了廣泛的應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧。通過AWG各條陣列波導(dǎo)上引入一個(gè)調(diào)節(jié)元件可精細(xì)調(diào)控AWG頻譜響應(yīng)，如實(shí)現(xiàn)Nyquist響應(yīng)[20]、中心波長可調(diào)諧濾波[21]等。值得注意的是，常規(guī)AWG尺寸較大，其功耗通常較高。為此，人們研制了更小尺寸的緊湊型8通道硅AWG[22]，如圖2（a）所示，并在功耗為1.3 W時(shí)實(shí)現(xiàn)了600 GHz調(diào)諧范圍。為進(jìn)一步減小器件尺寸及功耗，交叉自由傳輸區(qū)域（FPRs）[23]和反射光柵等新型AWG設(shè)計(jì)[24]被廣泛采用。

▲圖1 集成芯片基本元器件及其功能和應(yīng)用

▲圖2 不同結(jié)構(gòu)的光濾波器示意圖

對于MZI而言，單級結(jié)構(gòu)產(chǎn)生正弦型譜響應(yīng)，而多級結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)平頂譜響應(yīng)，具有制作簡單、尺寸小、易調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)。此前，人們采用級聯(lián)MZI結(jié)構(gòu)并在各個(gè)MZI上引入熱調(diào)元件實(shí)現(xiàn)了具有平坦響應(yīng)的1×8 WDM濾波器[25]。為了進(jìn)一步優(yōu)化濾波器滾降因子，人們進(jìn)一步將級聯(lián)MZI和延遲線相結(jié)合構(gòu)建了平頂Nyquist-DWDM濾波器[26]。為增加器件靈活性，文獻(xiàn)[27]的作者研制了一種具有31個(gè)調(diào)諧元件的MZI濾波器，其結(jié)構(gòu)圖如圖2（b）所示。該器件由MZI和時(shí)延線組合，且每個(gè)MZI都具有一個(gè)調(diào)諧元件以調(diào)控輸入信號振幅，各個(gè)延遲線都具有一個(gè)調(diào)諧元件以調(diào)控信號相位，熱調(diào)元件功耗為0.23 π/W，可重構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同的濾波器響應(yīng)。

MRR是另一個(gè)典型的光濾波器結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。對于MRR，可通過調(diào)控其耦合系數(shù)及相位來實(shí)現(xiàn)帶寬及諧振波長的調(diào)諧?；诔Ｒ?guī)單微環(huán)結(jié)構(gòu)，人們通過加熱整個(gè)微環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了熱調(diào)為0.8 mW/GHz的濾波器[28]，而通過在波導(dǎo)上方引入微熱元件的方式可實(shí)現(xiàn)熱調(diào)諧效率達(dá)1.44 mW/GHz的濾波器[29]。進(jìn)一步地通過引入懸空結(jié)構(gòu)則可以將其熱調(diào)諧效率提升至4.79 nm/mW[30]。為獲得平頂型頻譜響應(yīng)，人們往往采用多環(huán)級聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖2（c）所示[31]，通過引入微加熱電極，可實(shí)現(xiàn)其中心波長調(diào)諧，其熱調(diào)諧效率為0.1～0.17 nm/mW。

Bragg光柵也是實(shí)現(xiàn)光濾波器的常用結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是可突破自由頻譜范圍的局限；但傳統(tǒng)布拉格光柵濾波器通常只有輸入/反射、直通等兩個(gè)端口[10]，往往需要額外的片外環(huán)行器，這使得器件非常復(fù)雜，因而其應(yīng)用受限。最近，人們通過引入光柵輔助的反方向耦合器實(shí)現(xiàn)了具有四端口光學(xué)濾波器，如圖2（d）所示[32]。通過級聯(lián)實(shí)現(xiàn)的多通道大帶寬濾波器，可用于O波段CWDM系統(tǒng)，為光纖到戶（FTTH）系統(tǒng)提供有效的方案。在此結(jié)構(gòu)中，通過進(jìn)一步引入熱調(diào)諧單元也可實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧光濾波器[32]，其調(diào)節(jié)效率可達(dá)0.16 nm/mW。

1.2 硅光開關(guān)

光開關(guān)在高靈活性可重構(gòu)光系統(tǒng)中扮演至關(guān)重要的作用，例如，光開關(guān)是光交叉連接和光上傳/下載系統(tǒng)的核心器件，它使得光網(wǎng)絡(luò)/系統(tǒng)中全光信號路由和交換成為可能。在各種實(shí)際應(yīng)用中，人們希望能夠?qū)崿F(xiàn)低損耗、寬帶寬、高消光比、偏振不敏感的高性能光開關(guān)。實(shí)現(xiàn)光開關(guān)有兩種常用基本結(jié)構(gòu)：一種是基于MZI的寬帶光開關(guān)，另一種是基于MRR的波長選擇光開關(guān)。

對于MZI光開關(guān)，當(dāng)兩個(gè)干涉臂之間相位差切換為0和π時(shí)，則可切換成交叉狀態(tài)和直通狀態(tài)。近年來，人們研制了多種大帶寬、高消光比MZI光開關(guān)。其中，采用彎曲定向耦合器成功研制的帶寬高達(dá)140 nm 的新型MZI光開關(guān)[33]，如圖3（a）所示，是目前最大帶寬MZI光開關(guān)。同時(shí)，MZI光開關(guān)偏振敏感性問題也受到廣泛關(guān)注。2018年，人們成功研制一種偏振不敏感MZI光開關(guān)，在整個(gè)C波段范圍內(nèi)橫磁模（TM）和橫電模（TE）偏振的消光比達(dá)20 dB[34]。此外，利用日益成熟的硅光技術(shù)，人們基于高性能MZI光開關(guān)單元也實(shí)現(xiàn)了較大規(guī)模N×N光開關(guān)陣列及其應(yīng)用[35]。

對于MRR光開關(guān)，其原理是：在微環(huán)上引入調(diào)節(jié)元件，通過加熱等方式調(diào)諧其諧振波長，并利用其波長選擇性實(shí)現(xiàn)對給定波長通道進(jìn)行光路切換，如圖3（b）所示。進(jìn)一步地，這種開關(guān)可通過級聯(lián)等方式實(shí)現(xiàn)更多波長通道的切換，具有尺寸小、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)[36]；因而特別適合于WDM系統(tǒng)中相應(yīng)波長信道的上傳/下載，具有巨大應(yīng)用潛力，受到廣泛關(guān)注。

2 可重構(gòu)硅光集成回路及其應(yīng)用

近年來，為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、降低系統(tǒng)管理復(fù)雜度及成本，人們對實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上全光數(shù)據(jù)的路由/交換日益迫切，大力發(fā)展了各種結(jié)構(gòu)可重構(gòu)硅光集成回路。

ROADM芯片是其重要代表之一，它通常由多通道復(fù)用器/解復(fù)用器和光開關(guān)陣列組成，近年來取得系列重要進(jìn)展。2016年，人們針對WDM系統(tǒng)應(yīng)用需求研制了一個(gè)由2個(gè)8×8 AWG和8個(gè)MZI光開關(guān)單片集成的ROADM芯片[37]，其結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示，該ROADM芯片可實(shí)現(xiàn)任意波長通道的上傳和下載。此外，MRR也常被用于ROADM的研制。為了降低MRR諧振波長精確對準(zhǔn)的難度，研究者采用多個(gè)MRR級聯(lián)實(shí)現(xiàn)平頂濾波效果[38]。同時(shí)，人們將MZI和多通道模式復(fù)用器的單片集成也成功研制了用于MDM系統(tǒng)的ROADM芯片，通過2×2熱光開關(guān)可將不同模式通道靈活地上傳或下載[39]。隨著傳輸容量需求的進(jìn)一步增長，混合復(fù)用技術(shù)成為一種新興技術(shù)，為此人們研制了多種面向WDM-MDM混合復(fù)用系統(tǒng)的新型ROADM 芯片[40]。

▲圖3 兩種常用光開關(guān)結(jié)構(gòu)

▲圖4 不同結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)硅光集成回路示意圖

硅光技術(shù)也被逐漸應(yīng)用到量子光學(xué)領(lǐng)域，用于實(shí)現(xiàn)片上量子態(tài)的產(chǎn)生、操縱和測量等功能，為實(shí)現(xiàn)量子信息處理、量子計(jì)算和量子通信提供了重要基礎(chǔ)。2014年，人們成功研制了可重構(gòu)硅基量子光集成芯片[41]，通過四波混頻實(shí)現(xiàn)了片上量子干涉現(xiàn)象。隨著技術(shù)的發(fā)展，2018年人們成功研制了15×15可重構(gòu)偏振糾纏系統(tǒng)，如圖4（b）所示，該芯片包含了550個(gè)光學(xué)元件、100個(gè)可編程相移器等。未來可進(jìn)一步研制實(shí)現(xiàn)多個(gè)復(fù)雜量子任務(wù)的全重構(gòu)硅光量子回路。

此外，可重構(gòu)硅光集成芯片還被廣泛應(yīng)用于微波光子學(xué)，特別是利用其可重構(gòu)特性，實(shí)現(xiàn)多功能切換。2015年，人們提出了一種可編程網(wǎng)格光信號處理器，其結(jié)構(gòu)如圖4（c）所示，該器件可實(shí)現(xiàn)不同功能的射頻（RF）濾波器[42]。之后，研究者提出一款電控可編程芯片，可實(shí)施一系列的功能，且該芯片集成有源和無源器件，為全集成可編程芯片提供了可行的方案[43]。2018年，人們又提出了另一種基于六邊形MZI網(wǎng)格光處理芯片，可實(shí)現(xiàn)20多種不同功能，比如環(huán)形諧振腔、單輸入輸出有限響應(yīng)濾波器、耦合諧振腔波導(dǎo)等[44]。未來的研究將進(jìn)一步降低器件損耗和能耗，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的可重構(gòu)硅光集成芯片。

3 結(jié)束語

本文中，我們討論了可重構(gòu)硅光子學(xué)及其應(yīng)用的最新進(jìn)展，包括可調(diào)諧光濾波器、光開關(guān)及其可重構(gòu)硅光集成回路。對于光濾波器，主要有AWGs、MZIs、MRRs和 Bragg光柵等器件結(jié)構(gòu)，通過加熱相移器均可方便地實(shí)現(xiàn)熱調(diào)諧。對于光開關(guān)，MZIs和MRRs是兩種最常用的結(jié)構(gòu)。其中，MZI光開關(guān)適用于WDM系統(tǒng)中同時(shí)切換多個(gè)信道的寬帶操作，而通過彎曲定向耦合器等方式可獲得約140 nm超大帶寬。當(dāng)級聯(lián)多個(gè)MZI光開關(guān)以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模N×N光開關(guān)陣列時(shí)，MZI干涉臂隨機(jī)相位誤差使得測量非常復(fù)雜；因此改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造精度以減小隨機(jī)相位誤差顯得尤為重要。而MRR光開關(guān)具有波長選擇性，通過改變調(diào)諧波長來切換任意給定的波長通道。為了獲得高消光比并降低對波長控制的敏感度，可將MRR光譜響應(yīng)設(shè)計(jì)成方形。未來可考慮開發(fā)一種新型MRR光開關(guān)，通過引入可調(diào)控光衰減而無需波長偏移，由此降低相鄰信道串?dāng)_。

基于這些可重構(gòu)光器件及其他無源器件，人們已經(jīng)研制了多種大規(guī)模硅基可重構(gòu)光子集成芯片并應(yīng)用于許多領(lǐng)域，包括應(yīng)用于WDM系統(tǒng)、MDM系統(tǒng)以及WDM-MDM混合系統(tǒng)的硅基ROADM芯片?？芍貥?gòu)硅光子集成芯片也被應(yīng)用于量子光學(xué)領(lǐng)域，人們已成功研制可編程硅基量子芯片并實(shí)現(xiàn)了片上多個(gè)復(fù)雜量子任務(wù)。此外，可重構(gòu)硅基光子集成芯片還應(yīng)用于微波光子學(xué)領(lǐng)域，用于實(shí)現(xiàn)多功能切換。

總而言之，硅光技術(shù)的發(fā)展為智能化光通信等更多領(lǐng)域應(yīng)用打開了大門。為了更好地滿足未來需求，需要進(jìn)一步提升硅光器件設(shè)計(jì)和制造水平，在超低損耗、超低功耗、超高消光比和超低串?dāng)_等高性能硅光器件方面取得突破，從而真正推進(jìn)大規(guī)模硅光集成回路的發(fā)展。