研究背景

随着大数据时代的到来，信息处理特别是在容量和功耗方面面临着巨大的挑战。目前，超过90%的数据信息通过光波传输而信息处理却在电域进行，这一情况使得容量和功耗问题变得更加糟糕。两种不同的方案可用来解决这一问题，一种方案是进行传统的光电光（O-E-O）转换，另一种则是直接在光域中处理光信息，这种方案被称为全光信号处理（AOSP）。O-E-O转换面临着光电并行性挑战和透明度限制。相比之下，通过选择合适的非线性过程，AOSP在系统复杂性、成本以及功耗方面具有显著优势。早在二十世纪80年代，AOSP就已经在体非线性器件中得到了广泛研究，但近期光子集成技术的进步推动了AOSP的快速发展。在众多集成光子平台中，硅光平台已被证明在发展先进AOSP器件和功能方面具有巨大潜力。AOSP功能多样，天然契合光网络。未来的光网络需要具备3T（格式透明性、波长透明性、带宽透明性）、3M（多功能、多通道、多网络）和3S（自感知、自学习、自适应）等特点。因此，开发和发展具有可重构性和灵活性的超大容量AOSP对于未来光网络至关重要。

近期，由来自华中科技大学的张新亮教授、上海交通大学的苏翼凯教授、电子科技大学的邱坤教授以及南开大学的祝宁华院士领导的研究团队，共同展示了一款单片集成的可编程全光信号处理芯片。该款芯片同时具备滤波、再生和逻辑操作等功能。研究得到了国家项目支持，旨在开发基于硅材料的可重构AOSP芯片，利用硅光子学与CMOS的兼容性、低损耗、紧凑以及高光非线性等固有优势，以满足光网络的高速率、高级调制格式和波长透明性需求。全光处理功能如可重构滤波、逻辑和再生在这款可编程全光处理芯片上得到了实验验证，为光通信、高性能计算、成像和传感等领域的变革性应用铺平了道路。

Frontier of Optoelectronics期刊2025年5月12日发表了题为Progress in silicon-based reconfigurable and programmable all-optical signal processing chips的综述文章，回顾了该团队所取得的研究成果。

研究亮点

关键问题与挑战

开发基于绝缘体上硅平台（SOI）的可编程AOSP存在以下挑战：硅材料在通信波长存在严重的载流子效应，包括双光子吸收（TPA）和自由载流子吸收（FCA），这限制了非线性过程中可用的最大功率，不利于实现高效的非线性效应。此外，由于高折射率导致的强光场限制加重了散射损耗，阻碍了低损耗集成光波导的实现，增加了精细光场操控的复杂性，以及引入了严重的光和热串扰。

亮点工作

1.为了解决以上难题，我们首先开发新的制造工艺、结构并引入新材料，以应对这些挑战。通过推动关键制造技术和器件结构的改进，已开发出超低损耗的硅波导和具有超高品质因子的微谐振器。以此为基础，开发出了具有超宽可重构带宽和自由光谱范围的集成光子滤波器，能够精确操控和选择具有高自由度的输入光场。

2.提出了几种能增强非线性的机制和新设计，包括带有反偏PIN结的脊形波导、槽波导、多模波导和具有宇称时间对称性的耦合微谐振器。这些新颖设计能够实现几种先进的AOSP操作。具体地，使用自主研制的单芯片集成可编程光学逻辑阵列，演示了速率高达100 Gbit/s的逻辑计算，进一步还演示了基于四波混频效应的高维多值逻辑操作；使用具有超高效率的硅PIN波导，成功实现了多通道全光幅度和相位再生，从而在芯片上实现了多通道、多格式和可配置的全光再生功能；同时，通过空间维度扩展再生功能容量的能力也得到了验证。

3.通过开发新颖的光学设计和先进的封装技术，由于高密度集成导致的光学和热耦合带来的串扰得到了缓解，实现了高密度、小尺寸、多通道和多功能的低功耗稳定运行。

4.开发了四种可编程AOSP芯片，即可编程光子滤波器芯片、可编程光子逻辑运算芯片、多维全光再生芯片以及实现了先进封装的多通道和多功能AOSP芯片。

图1 开发的每种光子芯片在灵活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)。

总结展望

本研究作为AOSP芯片发展的关键性进展，通过结构和材料方面的创新，解决了构建大规模集成AOSP光子芯片的关键挑战，例如高传输损耗、弱非线性效应、有限的光场控制以及严重的光电热串扰。成功将硅波导的传输损耗降低至0.17dB/cm，同时实现了品质因子高达的谐振腔。基于低损耗波导和高品质因子谐振腔，实现了先进的集成可调滤波器，其带宽可从0.55 pm调至648.72 pm（超过三个数量级调整）以及FSR可从0.06 nm调至1.86 nm（30倍）。转换效率高达-12 dB的四波混频过程也在此平台得到了验证，保障了高性能逻辑和再生操作的成功。最终，将136个设备（包括滤波器、逻辑门、再生器、光栅、MMIs、电极等）集成在单一芯片上，实现了八通道多功能单芯片集成，包括滤波、逻辑和再生等功能。芯片的总信号处理能力高达800 Gb/s（每通道运行100 Gb/s），并能适应多种调制格式，包括DPSK和OOK等。此外，本研究还为逻辑操作生成了一整套标准逻辑单元，且已证明QPSK再生能增强接收灵敏度超过6dB。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。

图2 八通道AOSP芯片的封装图像（a），电气封装（b）和光学封装（c）

由于Kerr非线性的固有超快特性（在飞秒时间尺度上），这些努力为设计和制造更大规模、更高速度的基于硅的AOSP芯片奠定了基础。未来，微纳加工、新材料和封装技术的发展将进一步提高AOSP芯片的性能和灵活性，对传统及非传统通信和计算应用中高效、高密度信息处理具有重要价值。

团队介绍

本研究得到了国家重点研发计划的支持，张新亮教授是该项目的首席科学家，也是本研究的通讯作者。来自上海交通大学的郭旭涵教授、电子科技大学的周恒教授和邱昆教授、以及南开大学的文花顺教授是这项工作的共同通讯作者。华中科技大学的徐竞教授和董文婵博士是这项工作的第一作者。这项工作还包括华中科技大学黄庆忠教授和董建绩教授，电子科技大学的耿勇教授，中国科学院半导体研究所的付鑫教授和李明教授，深圳大学的雷蕾教授和北京航空航天大学的吴晓君教授。

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原文刊载在武汉光电国家研究中心平台