与电子器件相比,光子器件具有容量大、速度快和功耗低等优异特性,已广泛用于光通信、传感、信息处理、计算和光存储。如今,光子器件已压缩到电子器件的尺寸,且CMOS兼容,故使得光电子集成芯片成为可能,进而激起众多研究机构的积极探索。作者观点认为:集成光子学目前正在多领域取得进展。

在过去的十年中,大学和企业在集成光子学方面做出了重大的研究努力,并取得了切实的进展。目标是开发将系统和组件从“电子加光学”转变为两种技术的无缝融合更好的构建块,这两种技术有很多共同点,并表现出物理定律所定义的重大差异。

几个例子显示了进展的范围。在一个用例研究中,著名的瑞士洛桑理工学院(EPFL)的研究人员通过将稀土离子引入集成光子电路,构建了一个小型波导放大器。

自20世纪80年代以来,掺铒光纤放大器(EDFA)被用来为光纤中的光子提供功率增益(图1),以提高光信号功率,这在长距离通信电缆和光纤激光器中至关重要;请记住,光功率是通过增加给定波长下的光子数量来提高的,而不是光子本身的“幅度”。幅度是一个固定量,为波长的函数。使用铒离子是因为它们可以放大1.55毫米波长范围内的光,而硅基光纤传输损耗在该范围内最低。

图1:掺铒光纤放大器示意图。资料来源:RP Photonics

在简单的掺铒光纤放大器示意图中,两个激光二极管(LD)为掺铒光纤提供泵浦功率。泵浦光通过二色光纤耦合器注入,而光隔离器降低了器件对反射光的灵敏度。

有人尝试使用掺铒光波导代替独特的光纤,但功率输出太低,生产问题很难解决。现在,EPFL团队已经构建并测试了一个基于集成电路的铒放大器,该放大器提供145毫瓦的输出功率和超过30分贝的小信号增益,这与商用光纤放大器(基于光子集成电路的掺铒放大器)相当,如图2所示。

图2:波导放大器示意图。资料来源:EPFL

图2所示为EPFL研究人员开发的一种小型波导放大器。设计中,研究人员成功地将稀土离子注入到集成光子电路中。

该器件基于离子注入,采用超低损耗氮化硅(Si3N4)光子集成电路,波导结构尺寸为毫米级,长约50厘米。通过将电光元件集成到一个公共基板上,进一步减小了分立元件的尺寸和数量,这在某种程度上与将分立晶体管和无源元件集成到IC中的方式有些类似。

英特尔的激光阵列

多波长集成光学领域也取得了进展。英特尔实验室展示了一种完全集成在晶片上的八波长分布式反馈(DFB)激光器阵列,该阵列采用该公司的300毫米硅光子学制造工艺。其输出功率均匀性为±0.25dB,波长间隔均匀性为±6.5%,优于行业规范的要求。

这种使用密集波分复用(DWDM)技术的共封装光学器件,提供了大幅提高带宽的潜力,同时显著减小了光子芯片的物理尺寸。然而,迄今为止,生产具有均匀波长间隔和功率的DWDM光源一直非常困难(见图3)。

图3:八波长激光器阵列示意图。资料来源:英特尔

图3所示为八波长激光器阵列,包括八个微环调制器和一个光波导,各微环以均匀的间距调谐到不同的光波长上,且每个微环都可以单独调制。

英特尔的器件结构确保光源的波长相隔一致,同时保持均匀的输出功率,从而满足光计算互连和DWDM通信的要求。英特尔在III-V芯片邦定工艺之前,使用先进的光刻技术来实现硅波导光栅,这与在3英寸或4英寸III-V芯片制造厂中生产的传统半导体激光器相比,可以产生更好的波长均匀性。

此外,由于激光器的紧密集成,当环境温度变化时,阵列能保持其通道间距一致;这始终是光学器件中的一个主要指标,因为温度引起的漂移会破坏基本一致性。

光学芯片

与这些迈向商用的潜在重要节点在实验室取得进展的同时,市场上也出现了一些其他集成光子技术的进展。支持英特尔的Ayar实验室正在提供单片封装光学I/O(OIO)芯片。这些集成硅光子器件基于CMOS工艺制造,采用多芯片封装(MCP)技术。从而消除了电气I/O瓶颈,在对更多更快性能的不懈追求中,提高了功率效率、实现了低延迟和高带宽密度,如图4所示。

图4:不同技术的集成度比较。资料来源:Ayar实验室

图4显示光电集成方法的层次以性能递增的方式给出不同的选项,最顶部的是光子全集成。

上述解决方案将TeraPHY(封装内光学I/O芯片)与SuperNova(多波长光源)相结合,将硅光子学与标准CMOS制造工艺相结合,与电子I/O相比,仅需1/10的功率即可将带宽密度提升高达1000倍(参见图5)。

图5:TeraPHY OIO小芯片构成的高级组件示意图。资料来源:Ayar Labs

图5所示的高级组件中,TeraPHY OIO小芯片(每个小芯片包含多达8个256Gbps光端口)采用倒装芯片连接,使多光端口的封装集成和自动化组装得到简化。

我想知道:在集成光子学的多个方面所获得的进步是否已经足以达到一个“拐点”,在其后的几年里,该技术将迅速过渡到基于这些器件的大面积设计?或者,这会是一个缓慢、稳定、渐进的过程,这些器件及其架构的采用也会以相对缓慢的步调逐步实施?或者,与大规模生产相关的挑战性障碍和问题会阻碍该技术的发展吗?

五到十年后,让我们再回头看看到底产生了什么结果。将今天的预测、推断和预期与届时的现实相比较,这将是一件非常有趣的事情。

(参考原文:Integrated photonics advancing on multiple fronts

本文为《电子工程专辑》2023年1月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅

责编:Jimmy.zhang
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