隨著網(wǎng)絡(luò)升級(jí)壓力的增加和綠色減排呼聲的日益增強(qiáng)，運(yùn)營(yíng)商不僅需要以較低的成本實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)，更需要付出更少的能耗代價(jià)。與電子集成電路技術(shù)類(lèi)似，光子集成電路技術(shù)的逐漸成熟必將會(huì)引起光信息技術(shù)領(lǐng)域的又一次革命。PIC (Photonic Integrated Circuit：光子集成電路)的概念與電子集成電路的概念類(lèi)似，只不過(guò)電子集成電路集成的是晶體管、電容器、電阻器等電子器件，而PIC集成的是各種不同的光學(xué)器件或光電器件，比如激光器、電光調(diào)制器、光電探測(cè)器、光衰減器、光復(fù)用/解復(fù)用器以及光放大器等。

莫納什大學(xué)、皇家墨爾本理工大學(xué)和阿德萊德大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究開(kāi)發(fā)了一種精確的方法來(lái)控制指甲大小的光子集成電路上的光電路。

發(fā)表在Optica雜志上的這項(xiàng)發(fā)展建立在最近創(chuàng)造了世界上第一個(gè)自校準(zhǔn)光子芯片的同一個(gè)團(tuán)隊(duì)的工作基礎(chǔ)上。

光子學(xué)，或使用光粒子來(lái)存儲(chǔ)和傳輸信息，是一個(gè)新興領(lǐng)域，支持我們創(chuàng)造更快、更好、更高效和更可持續(xù)的技術(shù)的需要。

可編程光子集成電路 (PIC) 在單個(gè)芯片內(nèi)提供多種信號(hào)處理功能，并為從光通信到人工智能的各種應(yīng)用提供有前途的解決方案。

無(wú)論是下載電影還是讓衛(wèi)星保持在軌道上，光子學(xué)正在從根本上改變我們的生活方式，將大型設(shè)備的處理能力徹底改變到人類(lèi)指甲蓋大小的芯片上。

今年早些時(shí)候，莫納什大學(xué)、皇家墨爾本理工大學(xué)和阿德萊德大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種先進(jìn)的光子電路，可以改變光子技術(shù)的速度和規(guī)模。然而，隨著 PIC 的規(guī)模和復(fù)雜性的增長(zhǎng)，它們的表征和校準(zhǔn)變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性。

莫納什大學(xué)研究員 Mike Xu 教授說(shuō)：“我們?cè)谛酒咸砑恿艘粭l通用參考路徑，可以穩(wěn)定準(zhǔn)確地測(cè)量‘主力’路徑的長(zhǎng)度(相位、時(shí)間延遲)和損耗?！?

“通過(guò)發(fā)明一種新方法，即分?jǐn)?shù)延遲方法，我們已經(jīng)能夠從不需要的信息中分離出想要的信息，從而實(shí)現(xiàn)更精確的應(yīng)用?！?

以前，芯片是通過(guò)連接到復(fù)雜且昂貴的外部設(shè)備(稱(chēng)為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀)來(lái)測(cè)量/校準(zhǔn)的;但是，與它的連接會(huì)引入由振動(dòng)和溫度變化引起的相位誤差。通過(guò)將參考放在實(shí)際芯片上，測(cè)量不受這些相位誤差的影響。

“在我們?cè)缙诘墓ぷ髦?，我們使用了‘Kramers Kronig’方法來(lái)消除所需測(cè)量中不需要的誤差，但分?jǐn)?shù)法需要的光功率要小得多，才能達(dá)到給定的精度，”該系的 ARC 獲獎(jiǎng)?wù)?Arthur Lowery 教授說(shuō)。莫納什大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程。

“這意味著我們可以獲得對(duì)芯片狀態(tài)的可靠測(cè)量，因此能夠?yàn)樗璧膽?yīng)用程序準(zhǔn)確地編程，例如光學(xué)計(jì)算機(jī)中的模式識(shí)別，或從光通信網(wǎng)絡(luò)中榨取額外的容量?！?

這項(xiàng)工作是對(duì) 2020 年開(kāi)始的一項(xiàng)研究的補(bǔ)充，該研究開(kāi)發(fā)了一種新型光學(xué)微梳芯片，該芯片每秒能夠傳輸 30 太比特，是整個(gè)國(guó)家寬帶網(wǎng)絡(luò)記錄數(shù)據(jù)的三倍。

在下一發(fā)展階段，在新宣布的 ARC 光學(xué)微梳和突破科學(xué)卓越中心 (COMBS) 內(nèi)，該研究團(tuán)隊(duì)將探索光子芯片如何使用多種波長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)超快信息處理和機(jī)器智能。

“光子集成電路的復(fù)雜性正在迅速增加，需要突破才能校準(zhǔn)和控制它們。我們開(kāi)發(fā)的技術(shù)克服了這一挑戰(zhàn)，確保電路可以穩(wěn)健地用于模式識(shí)別等應(yīng)用，”博士說(shuō)。來(lái)自阿德萊德大學(xué)的安迪博斯。

無(wú)論在技術(shù)還是在市場(chǎng)上，PIC近幾年都取得了突破性的進(jìn)展。但是與電子集成電路相比，無(wú)論從集成度、性能還是成本，都還存在巨大的差距。可以預(yù)測(cè)，PIC將來(lái)的發(fā)展方向?qū)?huì)主要集中在以下幾個(gè)方面。

(1) 繼續(xù)采用磷化銦材料作為襯底開(kāi)展大規(guī)模PIC技術(shù)研究雖然采用磷化銦作為襯底也有其自身的缺點(diǎn)，比如磷化銦是稀有材料，PIC產(chǎn)品成本較高，同時(shí)，采用磷化銦作為基底材料不便于與現(xiàn)有硅基材料器件的大規(guī)模集成，不能實(shí)現(xiàn)將來(lái)光子器件與電子器件的大規(guī)模集成。各公司正在努力使得磷化銦成為唯一能夠?qū)崿F(xiàn)商用的大規(guī)模PIC的材料?？梢灶A(yù)見(jiàn)的情形來(lái)看，硅基光子學(xué)在未來(lái)的幾年內(nèi)較難取得突破性進(jìn)展。因此，繼續(xù)采用磷化銦材料作為襯底進(jìn)行大規(guī)模PIC開(kāi)發(fā)在商業(yè)上將是比較明智的選擇。從技術(shù)角度而言，采用磷化銦作為襯底材料也面臨著很多技術(shù)難題，如何提高集成度、提高芯片性能以及如何進(jìn)一步簡(jiǎn)化工藝、降低成本等都是需要繼續(xù)研究的重點(diǎn)。

(2)研究硅基大規(guī)模PIC硅基材料在電子集成電路中應(yīng)用廣泛，電子集成電路產(chǎn)業(yè)成熟的規(guī)?；a(chǎn)工藝和低廉的成本對(duì)PIC來(lái)說(shuō)都是巨大的誘惑。硅基電子集成電路不僅取得了商業(yè)上的巨大成功，更是深刻地改變了人類(lèi)的生活方式。從PIC技術(shù)誕生至今，人們都一直在努力通過(guò)電子集成電路成熟的技術(shù)和工藝實(shí)現(xiàn)PIC。但是硅基材料的發(fā)光效率很低，不能探測(cè)到1310nm和1550nm的光，同時(shí)受到材料本身的限制，不能夠?qū)崿F(xiàn)電光調(diào)制，這些都大大限制了硅基PIC技術(shù)的發(fā)展。硅基PIC研究方向主要集中在通過(guò)混合集成的方式實(shí)現(xiàn)硅基有源光器件，同時(shí)，研究如何利用現(xiàn)有成熟的CMOS工藝實(shí)現(xiàn)PIC。Intel、貝爾實(shí)驗(yàn)室以及Luxtera等公司和研究機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行此方面的研究，并取得了一定的研究進(jìn)展。