浙江大学实现低损耗、完全集成的可编程硅光子处理器，有望用于量子技术

光子盒研究院出品

近日，浙江大学团队发表在《光电进展》期刊的最新文章《低损耗的芯片级可编程硅光子处理器》[1]，讨论了低损耗的芯片级可编程硅光子处理器。

01

实验突破：完全集成的可编程硅光子处理器

集成光信号处理器已被确定为光信号光学处理的一个强大引擎。它们能在微型化的芯片上实现宽带和稳定的信号处理操作，并具有终极控制精度。目前，人们对提供功能可重构性非常感兴趣，以配合可编程微电子处理器的一个关键优势。为了实现具有大量调谐元件的大规模可编程光子集成电路（PIC），面临的挑战是如何降低硅光子波导的损耗，并将这些调谐元件的移相器因制造不完善而引起的随机相位误差降到最低。

因此，实验团队提出了一个完全集成的可编程硅光子处理器，它集成了一个基于Mach-Zehnder耦合器（MZC）的1×4可变功率分配器、四个光电探测器，以及带有Mach-Zehnder开关（MZS）的四通道可调谐延迟线。

(a) 芯片的布局和基本构建模块。(b) 制作好的芯片的照片。(c) 封装好的芯片的照片。

02

独特优势：宽调谐范围、可重置性、高分辨率、低损耗

在这个全新的硅光信号处理器中，对于光延迟线，使用了横截面为2.0×0.22μm2的超低损耗波导螺旋，同时在螺旋的中心引入了一个锥形欧拉曲线S弯，以最大限度地减少损耗并抑制高阶模式的产生。

同时，MZS和MZC臂上的移相器的宽度被扩大到2微米，以实现由于制造不完善而产生的低随机相位误差。对于目前的硅光子处理器，芯片面积约为4.9平方毫米，每个通道的可调谐延迟线的连续调谐范围可达176ps，而波导传播损耗约为0.28dB/cm。

目前的2×2热光学MZS的结构示意图，包括加宽移相器波导。(a) 俯视图。(b) 带有微型加热器的MZS臂的横截面。

(a) 低损耗波导螺旋的三维视图。(b) 在1550nm波长下，随着波导核心宽度的增加，计算出的散射损耗。

与现有的延迟线技术相比，这个新的硅光子处理器芯片表现出一些独特的优势，包括宽调谐范围、可重新配置性、高分辨率和低损耗。此外，该芯片还可以被配置成明显不同的信号处理功能，包括可调谐延迟、光束转向/形成、任意光信号过滤和任意波形生成。

各种片上微波光子波束形成器的比较

03

为大规模、可重构硅光子芯片铺平道路，并有望应用于量子技术

此次实验证明了一个芯片级的可编程硅光子处理器，它包括一个基于级联MZC的1×4可变功率分配器、四个Ge/Si光电探测器、四个通道的热可调光延迟线。并且，这个可编程硅光子处理器已被配置为实现多功能，包括可调谐的延时、微波光子波束成形、任意光信号过滤和任意波形生成。

如果引入更长的波导螺旋线以获得更长的时间延迟，那么来自波导螺旋线的总损耗可能会更加突出。例如，为了实现纳秒级的时间延迟，波导螺旋的总长度长达~10厘米，在这种情况下，使用传统的硅光子波导，其损耗高达20-30分贝，其损耗为2-3分贝/厘米。因此，当希望继续提高PIC的规模时，引入低损耗的波导是至关重要的。另一方面，所有的MZC和MZS都设计有2微米宽的臂形波导，几乎不需要校准。这种设计可以很容易地进行配置，以实现所需的设计功能，而且功耗低。

这项工作为实现大规模可重构硅光子芯片铺平了道路，因为高性能的基本构件技术；它也为可行地实现大规模硅光子芯片的更多应用提供了证据，例如，量子光子学、光计算、激光雷达等。

参考链接：

[1]https://phys.org/news/2022-11-low-loss-chip-scale-programmable-silicon-photonic.html

[2]https://www.oejournal.org//article/doi/10.29026/oea.2023.220030

相关阅读：

每周一到周五，我们都将与光子盒的新老朋友相聚在微信视频号，不见不散！

你可能会错过：