7月10日消息，據scitechdaily報道，由華中科技大學、上海交通大學、電子科技大學和南開大學等機構組成的中國研究團隊，近日成功研制出全球首款可編程的單芯片全光信號處理（All-Optical Signal Processing，AOSP）芯片，可支持光濾波、信號再生和邏輯運算，打破傳統硅光子需“光-電-光（O-E-O）”轉換的限制，讓數據從輸入到輸出全程維持光信號狀態，邁向無需交換器的高速運算新構架。
全新光學芯片可實現超高速計算和數據處理
大數據時代的興起給信息處理帶來了重大挑戰，尤其是在處理海量數據和控制能耗方面。目前超過90%的數據通過光波傳輸，而實際的數據處理仍然主要發生在電場中，這進一步加劇了這些問題。為了解決這種不匹配問題，出現了兩種主要方法。一種方法是將信號從光轉換為電，然后再轉換回來（“光-電-光”轉換，簡稱“O-E-O”轉換）；另一種方法則專注于完全在光域內處理數據，這種方法被稱為全光信號處理（AOSP）。
雖然O-E-O轉換面臨諸多限制，包括透明度方面的限制以及使用光電元件實現并行性的挑戰，但AOSP提供了一種更具可擴展性的替代方案。通過采用合適的非線性工藝，AOSP可以在復雜性、成本和能效方面提升系統性能。人們對AOSP的興趣可以追溯到20世紀80年代，當時人們最初使用體非線性器件進行探索。然而，近年來光子集成領域的突破顯著加速了其發展。
在眾多集成平臺中，硅基光子技術已成為推動AOSP技術發展最具潛力的技術之一。硅光子技術支持多種功能，這些功能與現代光網絡架構緊密相關。為了滿足未來需求，光網絡必須具備3T（格式透明、波長透明、帶寬透明）、3M（多功能、多通道、多網絡）和3S（自感知、自學習、自適應）等功能。因此，實現高度的可重構性和適應性對于未來的光網絡以及AOSP在超大容量系統中的更廣泛應用至關重要。
可編程AOSP芯片開發取得突破
由華中科技大學張新良（音譯）教授、上海交通大學蘇逸凱（音譯）教授、電子科技大學邱坤（音譯）教授和南開大學朱寧華（音譯）院士組成的科研團隊成功研發出一款單片集成可編程全光信號處理（AOSP）芯片。該芯片支持光學濾波、信號再生和邏輯運算等關鍵功能。該項目源于一項旨在開發基于硅的可重構AOSP技術的國家級項目。
△帶電氣和光學接口的封裝八通道AOSP芯片
通過利用硅光子學的核心優勢，如CMOS兼容性、最小的信號損失、緊湊的外形和強烈的光學非線性，研究人員已經生產出一種能夠滿足下一代光網絡嚴格要求的芯片。
這些包括高速數據傳輸、與高級調制格式的兼容性以及對波長透明操作的支持。該團隊已經通過實驗驗證了該芯片執行動態濾波、邏輯計算和信號再生的能力，為其在光通信、高級計算、成像和傳感等前沿應用中的使用奠定了堅實的基礎。
克服硅光子學的局限性
在絕緣體上硅（SOI）技術上開發可編程全光信號處理（AOSP）平臺存在幾個技術障礙。一個主要問題是，硅表現出與載流子相關的效應，特別是雙光子吸收（TPA）和自由載流子吸收（FCA），這限制了可用于非線性相互作用的功率量，從而削弱了這些效應。此外，硅中的高折射率對比導致光場的嚴格限制，這增加了散射損失，使光傳播的精確控制復雜化，并引入了顯著的光學和熱串擾。
為了克服這些局限性，研究人員引入了改進的制造方法、創新的器件結構和新型材料。其中一項關鍵進展涉及通過增強制造技術開發超低損耗硅波導和高質量微諧振器。這些組件支持集成光子濾波器，提供寬的、可重新配置的帶寬和可調的自由光譜范圍，允許對輸入光信號進行高度靈活和精確的操縱。
△本項目中開發的每個光子芯片在柔性光網絡場景中的作用（a）以及芯片與關鍵科學問題之間的關系（b）。
與此同時，已經實施了新的設計策略來增強非線性光學性能。這些包括具有反向偏置PIN結的脊波導、縫隙波導、多模波導和奇偶時間對稱耦合微諧振器等結構。這些配置實現了一系列復雜的AOSP功能。例如，使用定制設計的單芯片可編程光學邏輯陣列實現了100 Gbit/s的邏輯運算。該平臺還支持基于四波混頻的高維多值邏輯處理。此外，高效的硅PIN波導實現了跨各種信號格式的穩健多通道幅度和相位再生，并證明了再生容量的空間縮放潛力。
為了應對密集集成系統中光學和熱干擾的挑戰，該團隊開發了先進的光學布局和封裝技術。這些創新支持緊湊、多功能、低能耗的芯片。因此，已經實現了四種不同的可編程AOSP芯片：可重構光子濾波器芯片、邏輯處理芯片、多維再生芯片和封裝的多通道多功能AOSP芯片。
芯片性能指標和未來展望
本研究強調了可編程AOSP芯片開發的關鍵進展。通過結構和材料創新，解決了構建大規模集成AOSP光子芯片的關鍵挑戰，如高傳輸損耗、弱非線性效應、有限的光場控制以及嚴重的光、電和熱串擾。超低損耗硅波導的損耗低至0.17dB/cm，Q因子高達2.1106。
該研究團隊已經實現了先進的集成濾波器，帶寬可以從0.55 pm調諧到648.72 pm（即調諧超過三個數量級），FSR可以從0.06 nm調諧到1.86 nm（30倍）。絕對FWM轉換效率已被證明高達12dB，這種高效率對于確保高性能邏輯和再生操作的成功至關重要。
實現了濾波、邏輯和再生的八通道多功能單芯片集成，在單個芯片上集成了136個器件（包括濾波器、邏輯門、再生器、光柵、MMI、電極等）。事實證明，總信號處理能力高達800 Gb/s（每信道運行速度為100 Gb/s），可以適應多種調制格式，包括DPSK和OOK。已經為邏輯運算生成了一套完整的CLU，QPSK再生已被證明可以將接收器靈敏度提高6dB以上。通過利用先進的光電封裝技術，驗證了多通道信號的芯片級路由和處理。
由于光學克爾非線性（在飛秒時間尺度上）的固有超快特性，這些努力為設計和制造更高速的大規模硅基AOSP芯片奠定了基礎。展望未來，納米制造技術、新材料和封裝工藝的改進有望進一步提高AOSP芯片的性能和靈活性，為高速通信和先進計算提供更高效的光學解決方案，芯片上的光學元件將從過去的配角走向主角。如果未來邏輯運算、數據路由甚至內存存取都能在光域中完成，交換器是否仍為必要組件，勢必將成為產業討論的焦點。
