互聯網和智能終端的快速應用使得全球的數據量爆發式增長，極大地推動了高性能超算中心和數據中心市場的發展。數據中心機架與機架之間以及未來多核處理器間數據通信需要滿足低延時、高帶寬、低功耗等要求，銅互連已不能滿足這樣的要求，勢必要求信號通過光作為載體進行傳輸，在互連領域光進電退已經成為必然趨勢。
光互連技術不斷從長距離向短距離拓展，這就要求光器件必須朝著高速、小體積、低功耗的方向發展。集成光子器件由於其體積小、功耗低、穩定性好的特點，是實現片上光互連的最佳選擇。矽材料由於其優越的半導體特性和穩定、成熟的製備工藝，是集成電路中運用最多的材料。
從上海交通大學區域光纖通信網與新型光通信係統國家重點實驗室獲悉，陳建平教授課題組在矽基光電子方麵進行了長期研究，在研究骨幹周林傑教授帶領下實現了多種無源和有源核心器件，並麵向光通信係統中信號處理，研發出幾款集成光電子芯片，推進光學係統小型化發展。
在當今信息時代，計算機和互聯網的發展深刻改變著人類的生活和思維方式，如今“比特”成為了新的工具，能創造出新的經濟增長，也因此誕生了Google、Facebook、Alibaba等這些偉大的公司。人類對互聯網需求的不斷增加，驅動著通信技術朝著更高的帶寬發展。通信帶寬能夠不斷提高，光通信技術的發展是關鍵。半導體激光器、低損耗光纖、摻鉺光纖放大器和波分複用等技術的發明，使得光纖通信最先在長距離骨幹網和城域網中占據主導地位。
在過去的十幾年，隨著光通信技術的發展，對通信帶寬需求的不斷增加，光纖通信逐漸在更短距離的局域網、接入網取代了銅線，光纖到戶也已經逐漸在世界範圍得到普及。
近年來矽作為光波導材料來製作光子集成芯片也成了學術界和產業界關注的熱點。矽材料在近紅外通信波段透明、折射率對比度高，適合光子器件的高密度集成;另外，其製作工藝與傳統的微電子工藝兼容，可以與集成電路相集成，大幅提高光電子芯片的性能並具有大規模低成本生產潛力。
“在無源器件方麵，我們提出了一種新型的自耦合諧振器，可作為光子信息處理的基本單元。該自耦合諧振器能同時激發兩個反向傳輸的簡並模式，實現諧振頻率的精確對準和同步調控。”周林傑教授說。
該諧振器比傳統級聯微環諧振器更緊湊，頻譜可重構滿足多方麵應用需求。由於矽材料具有較大的熱光係數，矽基光子器件存在著對溫度非常敏感的問題，針對這樣的問題，研究人員通過結構優化設計獲得了溫度不敏感的幹涉濾波器，進一步推動了矽基光電子器件的實用化發展。為了解決矽波導損耗問題，該團隊也開發了一種超薄矽波導技術，損耗可以大幅下降，為實現大規模集成提供了可能，也為波導光柵等高精度元件的製備提供了低成本的實現方案。
“我們實現了大規模光交換、大容量光緩存和高速光調製芯片。研製的無阻塞光開關路由芯片，每個開關單元內均集成了熱光移相器和電光高速開關，具有相位誤差糾正和納秒量級高速開關切換的能力。”周林傑說，整個開關芯片總共集成了幾百個光電元件，很好地展示了矽光技術的高密度光電集成能力。
研究人員利用微環諧振器和級聯開關延遲陣列，研製了一款可調光緩存芯片，能實現納秒量級延時量的連續調節。為了減小開關有限消光比帶來的串擾，每條延遲波導上均集成了可調衰減器，大幅提高了延遲信號的信噪比。
“該光緩存芯片能實現對寬帶光信號的納秒量級延時調節，可以實現對多通道信號的精確同步以及解決數據競爭衝突問題，是構建未來全光交換網絡必不可少的核心元件。該芯片同時在微波光子領域也有廣泛用途，例如在微波相控陣雷達中，可以克服電子移相器帶寬有限造成的孔徑渡越現象，是新體製雷達中的關鍵技術之一。” 周林傑說。
同時，團隊與華為合作研發了基於單驅動推挽行波電極的雙平行馬赫-曾德高速調製器，調製器幾項關鍵指標能與目前商用的調製器相媲美，但結構更緊湊、價格更低廉並具備CMOS光電集成優勢。該調製器已經在華為傳輸係統上進行了測試，通過了高波特率QPSK、16QAM係統測試，未來可走向實用化。除了數字光通信方麵的應用外，該團隊也積極探索矽基調製器在模擬信號處理方麵的應用，麵向片上微波光子集成，實現微波與光波在矽基芯片上的完美融合和協同作用。
圖2 封裝後的16x16高速光開關陣列芯片
圖3封裝後的大容量光延遲線芯片
圖4 矽基調製器芯片
光互連技術不斷從長距離向短距離拓展，這就要求光器件必須朝著高速、小體積、低功耗的方向發展。集成光子器件由於其體積小、功耗低、穩定性好的特點，是實現片上光互連的最佳選擇。矽材料由於其優越的半導體特性和穩定、成熟的製備工藝，是集成電路中運用最多的材料。
從上海交通大學區域光纖通信網與新型光通信係統國家重點實驗室獲悉，陳建平教授課題組在矽基光電子方麵進行了長期研究，在研究骨幹周林傑教授帶領下實現了多種無源和有源核心器件，並麵向光通信係統中信號處理，研發出幾款集成光電子芯片，推進光學係統小型化發展。
在當今信息時代，計算機和互聯網的發展深刻改變著人類的生活和思維方式，如今“比特”成為了新的工具，能創造出新的經濟增長，也因此誕生了Google、Facebook、Alibaba等這些偉大的公司。人類對互聯網需求的不斷增加，驅動著通信技術朝著更高的帶寬發展。通信帶寬能夠不斷提高，光通信技術的發展是關鍵。半導體激光器、低損耗光纖、摻鉺光纖放大器和波分複用等技術的發明，使得光纖通信最先在長距離骨幹網和城域網中占據主導地位。
在過去的十幾年，隨著光通信技術的發展，對通信帶寬需求的不斷增加，光纖通信逐漸在更短距離的局域網、接入網取代了銅線，光纖到戶也已經逐漸在世界範圍得到普及。
近年來矽作為光波導材料來製作光子集成芯片也成了學術界和產業界關注的熱點。矽材料在近紅外通信波段透明、折射率對比度高，適合光子器件的高密度集成;另外，其製作工藝與傳統的微電子工藝兼容，可以與集成電路相集成，大幅提高光電子芯片的性能並具有大規模低成本生產潛力。
“在無源器件方麵，我們提出了一種新型的自耦合諧振器，可作為光子信息處理的基本單元。該自耦合諧振器能同時激發兩個反向傳輸的簡並模式，實現諧振頻率的精確對準和同步調控。”周林傑教授說。
該諧振器比傳統級聯微環諧振器更緊湊，頻譜可重構滿足多方麵應用需求。由於矽材料具有較大的熱光係數，矽基光子器件存在著對溫度非常敏感的問題，針對這樣的問題，研究人員通過結構優化設計獲得了溫度不敏感的幹涉濾波器，進一步推動了矽基光電子器件的實用化發展。為了解決矽波導損耗問題，該團隊也開發了一種超薄矽波導技術，損耗可以大幅下降，為實現大規模集成提供了可能，也為波導光柵等高精度元件的製備提供了低成本的實現方案。
“我們實現了大規模光交換、大容量光緩存和高速光調製芯片。研製的無阻塞光開關路由芯片，每個開關單元內均集成了熱光移相器和電光高速開關，具有相位誤差糾正和納秒量級高速開關切換的能力。”周林傑說，整個開關芯片總共集成了幾百個光電元件，很好地展示了矽光技術的高密度光電集成能力。
研究人員利用微環諧振器和級聯開關延遲陣列，研製了一款可調光緩存芯片，能實現納秒量級延時量的連續調節。為了減小開關有限消光比帶來的串擾，每條延遲波導上均集成了可調衰減器，大幅提高了延遲信號的信噪比。
“該光緩存芯片能實現對寬帶光信號的納秒量級延時調節，可以實現對多通道信號的精確同步以及解決數據競爭衝突問題，是構建未來全光交換網絡必不可少的核心元件。該芯片同時在微波光子領域也有廣泛用途，例如在微波相控陣雷達中，可以克服電子移相器帶寬有限造成的孔徑渡越現象，是新體製雷達中的關鍵技術之一。” 周林傑說。
同時，團隊與華為合作研發了基於單驅動推挽行波電極的雙平行馬赫-曾德高速調製器，調製器幾項關鍵指標能與目前商用的調製器相媲美，但結構更緊湊、價格更低廉並具備CMOS光電集成優勢。該調製器已經在華為傳輸係統上進行了測試，通過了高波特率QPSK、16QAM係統測試，未來可走向實用化。除了數字光通信方麵的應用外，該團隊也積極探索矽基調製器在模擬信號處理方麵的應用，麵向片上微波光子集成，實現微波與光波在矽基芯片上的完美融合和協同作用。
圖1 矽基光電子8英寸晶圓
圖3封裝後的大容量光延遲線芯片
圖4 矽基調製器芯片
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