智能化可重構硅光集成器件及芯片應用研究

（浙江大學，浙江 杭州 310058）

(Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

在過去幾十年中，硅光子學以其互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝兼容和超高集成密度等突出優點得到了巨大發展，在低成本大規模光子集成回路方面具有廣闊的應用前景，從而滿足日新月異的高速大帶寬信息傳輸和處理的重大需求[1-2]。在信號傳輸和處理過程中，智能化需求日益迫切，以更為靈活高效地實現帶寬及信道資源的優化調配；因此，發展可重構光子集成芯片尤為重要。其中，最具有代表性的可重構器件包括可調諧光濾波器、可調光延時線、光開關等，這些器件已廣泛應用于微波光子學[1]、量子光學[2]、機器學習[3]、光通信[4]等領域。

實現可重構光子芯片的關鍵在于根據需要對光波導有效折射率進行調控。常見的幾種工作機制主要包括熱光效應、電光效應、聲光效應、磁光效應等。鑒于熱光器件具有結構設計簡單和制造工藝方便等突出優點，且硅材料具有強熱光效應（1.8×10-4K-1）和高熱傳導能力（約149 W/mK）[5], 熱光效應是可重構硅光子器件最常用的物理機制之一。近10年來，熱可重構硅光器件及芯片以其低損耗、高消光比、緊湊封裝和低功耗等特點得到廣泛發展[6]。

作為最具代表性的可重構光子器件之一，可重構光濾波器在許多光學系統中發揮著重要作用。特別地，利用可重構光濾波器可靈活地選擇任意波長信道，這對于波分復用（WDM）系統及頻譜分析系統尤為重要。當前，已有多種用于實現硅光濾波器的典型結構，如馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）[7]、陣列波導光柵（AWG）[8]、微環諧振器（MRR）[9]、布拉格光柵濾波器[10]等，如圖1所示。通過進一步引入合適的微加熱器構建移相器則可以實現可調光濾波器。

光開關是另一個最具代表性的可重構光子器件，用于實現可重構光網絡/系統中全光信號路切換和開關，其中，MZI和MRR是兩種最常用實現光開關的結構[11-14]。MZI開關是一種寬帶器件，可實現多個通道的開關切換，而MRR光開關是一種波長選擇性開關，適合于單通道的選擇性開關切換；因此，這兩種開關都是WDM系統關鍵器件。除了 WDM系統，人們還針對模分復用（MDM）系統的需求，開展了多模硅光開關及芯片研究。

在過去幾年里，大規模可重構硅光集成回路（PICs）研究取得了巨大的進展，廣泛應用于很多領域[15-17]，如圖1所示。人們研制多種硅基熱可重構光分插復用（ROADM）芯片，以滿足WDM系統、MDM系統甚以及WDMMDM混合復用系統的重大需求[18]，同時針對微波光子學應用需求，還研制了多種可重構硅基集成回路，實現了片上多功能切換[1]。此外，可重構硅光子學已經擴展到量子光子學領域[19]，比如，目前已研制出的全重構硅量子集成回路在單個芯片中實現了多個復雜的量子任務。

本文將對可重構硅光子學及其應用的最新進展進行總結和討論，主要包括可調諧光濾波器、光開關及其可重構硅光集成回路等方面。

1 可重構硅光集成器件

由于硅材料具有顯著的熱光效應和優異的熱傳導特性，人們發展了一系列熱調可重構硅光集成器件，其中最具代表性的有可調諧濾波器和光開關兩種類型的器件。

1.1 可調諧硅光濾波器

作為一種關鍵器件，可調諧光濾波器在WDM系統中發揮著非常重要的作用。WDM系統根據信道間距可分為兩類，即粗波分復用（CWDM）和密集波分復用（DWDM）。CWDM具有通道數少、通道間隔大（如Δλch=20 nm）的特點，對器件溫度不敏感性要求較低，廣泛應用于O波段數據中心和無源光網絡等系統；相比之下，DWDM通道間隔窄（如Δλch= 0.1、0.2、0.4和0.8 nm）、通道數多（如40、80或160），通常應用在C波段。為滿足不同需求，人們已研制了一系列不同結構的光濾波器，主要包括AWG、MZI、MRR和Bragg光柵等類型。

AWG由于其獨特的幾何結構，能實現信號傅里葉變換，因而在WDM和正交頻分復用（OFDM）系統中都得到了廣泛的應用，并實現了可調諧。通過AWG各條陣列波導上引入一個調節元件可精細調控AWG頻譜響應，如實現Nyquist響應[20]、中心波長可調諧濾波[21]等。值得注意的是，常規AWG尺寸較大，其功耗通常較高。為此，人們研制了更小尺寸的緊湊型8通道硅AWG[22]，如圖2（a）所示，并在功耗為1.3 W時實現了600 GHz調諧范圍。為進一步減小器件尺寸及功耗，交叉自由傳輸區域（FPRs）[23]和反射光柵等新型AWG設計[24]被廣泛采用。

▲圖1 集成芯片基本元器件及其功能和應用

▲圖2 不同結構的光濾波器示意圖

對于MZI而言，單級結構產生正弦型譜響應，而多級結構可實現平頂譜響應，具有制作簡單、尺寸小、易調控等優點。此前，人們采用級聯MZI結構并在各個MZI上引入熱調元件實現了具有平坦響應的1×8 WDM濾波器[25]。為了進一步優化濾波器滾降因子，人們進一步將級聯MZI和延遲線相結合構建了平頂Nyquist-DWDM濾波器[26]。為增加器件靈活性，文獻[27]的作者研制了一種具有31個調諧元件的MZI濾波器，其結構圖如圖2（b）所示。該器件由MZI和時延線組合，且每個MZI都具有一個調諧元件以調控輸入信號振幅，各個延遲線都具有一個調諧元件以調控信號相位，熱調元件功耗為0.23 π/W，可重構實現不同的濾波器響應。

MRR是另一個典型的光濾波器結構，具有結構簡單、尺寸小、可擴展性好等優點。對于MRR，可通過調控其耦合系數及相位來實現帶寬及諧振波長的調諧。基于常規單微環結構，人們通過加熱整個微環結構實現了熱調為0.8 mW/GHz的濾波器[28]，而通過在波導上方引入微熱元件的方式可實現熱調諧效率達1.44 mW/GHz的濾波器[29]。進一步地通過引入懸空結構則可以將其熱調諧效率提升至4.79 nm/mW[30]。為獲得平頂型頻譜響應，人們往往采用多環級聯結構，如圖2（c）所示[31]，通過引入微加熱電極，可實現其中心波長調諧，其熱調諧效率為0.1～0.17 nm/mW。

Bragg光柵也是實現光濾波器的常用結構，其特點是可突破自由頻譜范圍的局限；但傳統布拉格光柵濾波器通常只有輸入/反射、直通等兩個端口[10]，往往需要額外的片外環行器，這使得器件非常復雜，因而其應用受限。最近，人們通過引入光柵輔助的反方向耦合器實現了具有四端口光學濾波器，如圖2（d）所示[32]。通過級聯實現的多通道大帶寬濾波器，可用于O波段CWDM系統，為光纖到戶（FTTH）系統提供有效的方案。在此結構中，通過進一步引入熱調諧單元也可實現可調諧光濾波器[32]，其調節效率可達0.16 nm/mW。

1.2 硅光開關

光開關在高靈活性可重構光系統中扮演至關重要的作用，例如，光開關是光交叉連接和光上傳/下載系統的核心器件，它使得光網絡/系統中全光信號路由和交換成為可能。在各種實際應用中，人們希望能夠實現低損耗、寬帶寬、高消光比、偏振不敏感的高性能光開關。實現光開關有兩種常用基本結構：一種是基于MZI的寬帶光開關，另一種是基于MRR的波長選擇光開關。

對于MZI光開關，當兩個干涉臂之間相位差切換為0和π時，則可切換成交叉狀態和直通狀態。近年來，人們研制了多種大帶寬、高消光比MZI光開關。其中，采用彎曲定向耦合器成功研制的帶寬高達140 nm 的新型MZI光開關[33]，如圖3（a）所示，是目前最大帶寬MZI光開關。同時，MZI光開關偏振敏感性問題也受到廣泛關注。2018年，人們成功研制一種偏振不敏感MZI光開關，在整個C波段范圍內橫磁模（TM）和橫電模（TE）偏振的消光比達20 dB[34]。此外，利用日益成熟的硅光技術，人們基于高性能MZI光開關單元也實現了較大規模N×N光開關陣列及其應用[35]。

對于MRR光開關，其原理是：在微環上引入調節元件，通過加熱等方式調諧其諧振波長，并利用其波長選擇性實現對給定波長通道進行光路切換，如圖3（b）所示。進一步地，這種開關可通過級聯等方式實現更多波長通道的切換，具有尺寸小、功耗低、結構簡單等優點[36]；因而特別適合于WDM系統中相應波長信道的上傳/下載，具有巨大應用潛力，受到廣泛關注。

2 可重構硅光集成回路及其應用

近年來，為提高系統穩定性、降低系統管理復雜度及成本，人們對實現網絡節點上全光數據的路由/交換日益迫切，大力發展了各種結構可重構硅光集成回路。

ROADM芯片是其重要代表之一，它通常由多通道復用器/解復用器和光開關陣列組成，近年來取得系列重要進展。2016年，人們針對WDM系統應用需求研制了一個由2個8×8 AWG和8個MZI光開關單片集成的ROADM芯片[37]，其結構如圖4（a）所示，該ROADM芯片可實現任意波長通道的上傳和下載。此外，MRR也常被用于ROADM的研制。為了降低MRR諧振波長精確對準的難度，研究者采用多個MRR級聯實現平頂濾波效果[38]。同時，人們將MZI和多通道模式復用器的單片集成也成功研制了用于MDM系統的ROADM芯片，通過2×2熱光開關可將不同模式通道靈活地上傳或下載[39]。隨著傳輸容量需求的進一步增長，混合復用技術成為一種新興技術，為此人們研制了多種面向WDM-MDM混合復用系統的新型ROADM 芯片[40]。

▲圖3 兩種常用光開關結構

▲圖4 不同結構的可重構硅光集成回路示意圖

硅光技術也被逐漸應用到量子光學領域，用于實現片上量子態的產生、操縱和測量等功能，為實現量子信息處理、量子計算和量子通信提供了重要基礎。2014年，人們成功研制了可重構硅基量子光集成芯片[41]，通過四波混頻實現了片上量子干涉現象。隨著技術的發展，2018年人們成功研制了15×15可重構偏振糾纏系統，如圖4（b）所示，該芯片包含了550個光學元件、100個可編程相移器等。未來可進一步研制實現多個復雜量子任務的全重構硅光量子回路。

此外，可重構硅光集成芯片還被廣泛應用于微波光子學，特別是利用其可重構特性，實現多功能切換。2015年，人們提出了一種可編程網格光信號處理器，其結構如圖4（c）所示，該器件可實現不同功能的射頻（RF）濾波器[42]。之后，研究者提出一款電控可編程芯片，可實施一系列的功能，且該芯片集成有源和無源器件，為全集成可編程芯片提供了可行的方案[43]。2018年，人們又提出了另一種基于六邊形MZI網格光處理芯片，可實現20多種不同功能，比如環形諧振腔、單輸入輸出有限響應濾波器、耦合諧振腔波導等[44]。未來的研究將進一步降低器件損耗和能耗，實現更大規模的可重構硅光集成芯片。

3 結束語

本文中，我們討論了可重構硅光子學及其應用的最新進展，包括可調諧光濾波器、光開關及其可重構硅光集成回路。對于光濾波器，主要有AWGs、MZIs、MRRs和 Bragg光柵等器件結構，通過加熱相移器均可方便地實現熱調諧。對于光開關，MZIs和MRRs是兩種最常用的結構。其中，MZI光開關適用于WDM系統中同時切換多個信道的寬帶操作，而通過彎曲定向耦合器等方式可獲得約140 nm超大帶寬。當級聯多個MZI光開關以實現大規模N×N光開關陣列時，MZI干涉臂隨機相位誤差使得測量非常復雜；因此改進結構設計和制造精度以減小隨機相位誤差顯得尤為重要。而MRR光開關具有波長選擇性，通過改變調諧波長來切換任意給定的波長通道。為了獲得高消光比并降低對波長控制的敏感度，可將MRR光譜響應設計成方形。未來可考慮開發一種新型MRR光開關，通過引入可調控光衰減而無需波長偏移，由此降低相鄰信道串擾。

基于這些可重構光器件及其他無源器件，人們已經研制了多種大規模硅基可重構光子集成芯片并應用于許多領域，包括應用于WDM系統、MDM系統以及WDM-MDM混合系統的硅基ROADM芯片。可重構硅光子集成芯片也被應用于量子光學領域，人們已成功研制可編程硅基量子芯片并實現了片上多個復雜量子任務。此外，可重構硅基光子集成芯片還應用于微波光子學領域，用于實現多功能切換。

總而言之，硅光技術的發展為智能化光通信等更多領域應用打開了大門。為了更好地滿足未來需求，需要進一步提升硅光器件設計和制造水平，在超低損耗、超低功耗、超高消光比和超低串擾等高性能硅光器件方面取得突破，從而真正推進大規模硅光集成回路的發展。