封面 | 片上集成多维光互连和光处理
编者按
2021年是山东大学建校120周年，也正值山东大学光学学科成立逾50周年之际，《中国激光》特别组织策划山东大学百廿校庆之“山大光学50年”纪念专辑本文来源于华中科技大学武汉光电国家研究中心张新亮教授和王健教授课题组，文章基于光场多个物理维度资源，分别对片上集成多维光互连和光处理的关键技术进行了回顾，并对其未来发展趋势进行了总结和展望。原文下载：王健, 曹晓平, 张新亮. 片上集成多维光互连和光处理[J]. 中国激光, 2021, 48(12): 1206001
内封面文章 | 王健, 曹晓平, 张新亮. 片上集成多维光互连和光处理[J]. 中国激光, 2021, 48(12): 1206001
封面解读
本封面展现了片上集成多维光互连和光处理的主要内容，其主要利用激光器、调制器、探测器、波长/偏振/模式处理器（微环、阵列波导光栅、偏振转换器、模式复用器）、光开关阵列等器件及其集成，提供芯片级多维光互连和光处理的解决方案。片上集成光互连和光处理利用光作为载波进行数据传输和信号处理，从而实现芯片和光纤等高速互连通信。结合光波的频率、偏振、时间、复振幅及空间结构等物理维度资源进行多维复用，可以进一步增大互连通信系统的容量。同时，片上集成光处理也呈现出高速大容量、多维度、多功能、可调谐、可重构及灵活智能化等趋势。
与此同时，为满足大数据时代日益增长的信息容量需求，如何有效提升系统通信容量也是一个亟需解决的问题。光子具有频率、偏振、时间、复振幅及空间结构等多个物理维度资源，可发展成为多种复用技术，进一步地，结合多种复用方式可以实现多维混合复用技术，从而进一步提高信号通道数目，增大片上光互连和光处理系统的容量。
华中科技大学武汉光电国家研究中心张新亮教授和王健教授课题组聚焦光子多物理维度资源（图1），分别介绍了片上集成多维光互连和光处理两个方面的关键技术，在综述了相关方向最新研究进展的基础上，也对其未来发展趋势进行了展望。
片上集成多维光互连
01
片上多维信号数据传输
先进的高级调制格式和多维复用技术等已广泛用于传统光纤通信系统中, 有效提升了通信系统的传输容量和频谱效率。
为了构建超大容量的片上集成光互连网络，片上集成多维光互连技术利用各种不同类型的集成光波导，研究其结合先进高级调制格式进行多维复用和高速数据传输的能力，展示了片上集成多维光互连的潜力（图2）。
图2 不同类型的集成光波导实现多维光信号的片上数据传输
02
片上多维复用互连
高速激光器、调制器以及探测器等作为片上集成光互连的核心器件，大幅度提升了单通道光传输信号的比特率。
为了充分利用光子的多物理维度资源，集成复用解复用器是引入多维复用技术实现片上多信道并行传输的关键。针对光子的频率/波长、偏振、模式等物理维度，可分别发展片上波分复用（WDM）、偏振复用（PDM）以及模分复用（MDM）技术。
目前，针对单一物理维度的复用解复用器件已经发展得较为成熟。值得注意的是，多种复用方式的综合运用可以实现多维混合复用。通过多波长、双偏振、多模式的多维复用，可以进一步提高片上光互连系统的通道数目和传输容量，这也是片上光互连的必然发展趋势。
03
片上光学耦合互连
光学耦合技术，也是构成光互连系统的一个重要部分，其主要目的是提供一个光学连接的接口，可以通过光纤耦合连接外部光纤通信网络，充分发挥光互连芯片的应用潜力，同时其还可以用于光子芯片之间的互连，从而构建异构集成的片上光互连系统，解决硅基材料难以实现片上光源的问题。
04
光子集成互连芯片
基于激光器、调制器、探测器、多维复用解复用器等核心器件以及光子引线键合等光学耦合支撑技术，片上集成光互连目前也开始逐步走向应用。
如图3所示，片上集成的光收发芯片和光模块等正朝着高速和大容量的方向不断发展，不仅在短距离数据中心光互连中扮演着重要的角色，在长距离相干光通信系统中也发挥着重要的作用。
图3 几种用于光互连的光子集成芯片。(a) 混合集成硅光子发射模块；(b) 全集成光收发网络；(c) 双通道相干光收发器
片上集成多维光处理
01
片上波长维度光处理
伴随着光通信与光互连的快速发展，与之匹配的片上光处理技术也受到了广泛关注。目前，片上集成光处理呈现出高速大容量、多维度、多功能、可调谐、可重构及灵活智能化等趋势。
首先，基于波长维度的片上波长调控技术通常包括波长转换、光学频率梳、波长滤波、波分复用等，其中，波长转换和光学频率梳等通常利用光波导中的非线性效应来实现。
如图4所示，硅波导中的高折射率差可以实现强局域的光场限制，从而大大增强非线性，因此可以作为非线性光信号处理的理想平台，比如可以利用波长转换机理实现光逻辑和多进制光计算等光处理功能。
另外，随着光通信技术的发展以及基于片上高品质微谐振器的克尔频率梳的实现，片上光频梳技术在密集波分复用、多波长超短脉冲产生、光学任意波形产生等领域也获得了广泛应用。
图4 基于硅波导非线性效应的多进制光计算
02
片上模式维度光处理
近年来，片上模式维度光处理在模式复用解复用、多模波导弯曲、多模波导交叉等多模光子学器件的研究推动下发展迅速，用于灵活模式操控的高性能模式调控器件也引起了越来越多的关注，主要包括模式转换、模式交换、模式可重构分插复用等。
03
片上偏振维度光处理
偏振维度也是片上光信号处理的一个重点。对于硅波导而言，由于硅和空气或二氧化硅包层存在高折射率差，双折射效应显著，大多数硅波导器件偏振相关，因此片上偏振调控和处理非常重要。
偏振起偏器、偏振分束器和偏振旋转器等都属于基本的片上偏振处理器件并得到了快速发展。除此之外，片上偏振态产生合成、偏振分析检测以及片上手性光子器件等更复杂的偏振处理功能也受到了越来越多的关注。
04
片上智能化光处理
尽管片上光信号处理近年来获得了广泛的关注，基于光子各个物理维度的光处理功能器件也发展迅速，但对于大多数集成功能器件而言，其应用灵活性仍然存在一定局限。
为适应未来各种新兴光信号处理应用的需求，通常要求片上光处理器件具有一定的调谐和重构功能，特别是片上可重构和可编程的多任务光信号处理功能。
近年来，随着人工智能领域的兴起，研究人员对人工神经网络的研究也不断深入。
如图5所示，人工神经网络通过模仿神经网络系统结构，建立神经网络中各层神经元之间的连接，并依赖大量处理单元互连执行线性运算和非线性操作，从而构建自适应的信息处理系统，具有良好的智能特征，在计算机视觉、自动驾驶、生物医学等众多领域广泛应用。
对于片上光处理，其未来趋势也将从可编程可重构的片上光处理发展为片上智能光处理，片上全光神经网络以及光子张量核等光子AI芯片的相继提出，充分显示了集成光子学在数据密集型人工智能应用中实现并行、快速和高效计算硬件的潜力。
图5 片上智能光信号处理。(a) 多模波导中任意混合模式的自动解扰；(b) 自配置的可重构硅光信号处理器；(c) 全光神经网络芯片架构；(d) 基于集成光子张量核的并行卷积处理
总结和展望
为满足大数据时代海量数据高速传输与处理的应用需求，现代通信网络的发展离不开片上集成的多维光互连与光处理技术。
对于片上多维光互连，光子集成芯片、相干光接收机及光收发模块等已经逐渐走向产业化，在长距离相干光通信和短距离数据中心系统中发挥着重要作用。
同时，片上多维光处理也开始朝着多功能、可重构、可编程和智能化的方向发展，对于光通信网络节点处高速灵活的数据信息管理具有重要意义。
如图6所示，片上集成多维光互连和光处理的未来发展趋势主要表现在如下几个方面：
（1）多材料体系：可以基于III-V族化合物、硅、氮化硅、二氧化硅、聚合物、铌酸锂及二维材料等多个平台。同时，多平台融合也是一个重要趋势。
（2）多集成方式：可以混合集成，也可以单片集成。光电融合集成可以充分实现光电子与微电子的融合和取长补短，实现性能更优的光电集成芯片，是重点发展方向。
（3）多物理维度：充分利用频率/波长、偏振、复振幅、时间、空间等光子各个物理维度资源。同时，通过多物理维度融合以大幅提升光互连和光处理容量也是必然趋势。
（4）多频段：O+E+S+C+L+U（1260~1565 nm）全波段超带宽是重要趋势。同时，可见光、中红外、微波、太赫兹等频段也是未来发展方向。
（5）多媒介：不仅局限于芯片内，芯片间、光纤、自由空间、水下等多媒介也是重要趋势，芯片-光纤-自由空间-水下等异构多媒介融合是重要挑战。
（6）多功能：深入和拓展片上多维光互连和光处理功能，从单一功能到多功能，从固定功能到可重构、可编程和智能化功能是重要发展方向。
（7）多应用场景：除了通信之外，片上集成多维光互连和光处理的核心芯片和关键技术也可以拓展应用于传感、测量、成像、计算、量子等多应用场景，特别是结合人工智能技术和神经网络芯片，智能应用是未来重要发展趋势。
图6 光互连和光处理的未来发展趋势
课题组介绍多维光子学实验室（MDPL）现有教授3名、副教授2名、讲师2名、博士后4名、博士和硕士研究生38名，入选华中科技大学“学术前沿青年团队”。
课题组研究方向：围绕光子多物理维度（频率、时间、偏振、复振幅、空间），特别是光子空间新维度开展基础研究及在光通信、光处理、光集成、光操控、光测量、光成像、光量子等领域的交叉应用研究，主要包括：
光场调控（涡旋光、矢量光、结构光、时空光、全维度调控等）
光子集成（硅基光子学、表面等离子体、超表面、飞秒加工等）
新型光纤（涡旋/全矢量光纤、半导体功能光纤、全光纤器件等）
互连通信（自由空间/水下/光纤中短距光互连和长距光通信等）
信号处理（线性/非线性光信号处理、光计算、光子人工智能等）
前沿交叉（光镊、传感测量、显微成像、量子信息、生命科学等）
课题组联系人：王健（jwang@hust.edu.cn）
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