智能硅基多維復(fù)用與處理芯片

（華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心，湖北 武漢 430074）

(Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

在硅基光電子概念提出之前，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）集成電路遵循著摩爾定律飛速發(fā)展。20世紀(jì)80年代，R. SOREF等發(fā)現(xiàn)硅基集成平臺(tái)對(duì)于1 550 nm通信波段也非常適合[1-2]。此后，硅基光子集成得到了極大關(guān)注和快速發(fā)展。硅在近紅外波段的折射率約為3.5。如果以空氣或二氧化硅為包層，可利用硅與包層的大折射率差將光場(chǎng)緊密地束縛在微納尺度下的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)，然后通過(guò)電光、熱光等調(diào)制手段有效調(diào)控光場(chǎng)，進(jìn)而逐步將光的調(diào)制、探測(cè)和發(fā)射全部集成在毫米級(jí)別的芯片上[3]。硅光子集成的優(yōu)勢(shì)在于：以光為載體的信息傳輸具備超高速、低損耗、低功耗以及高帶寬的特點(diǎn)；硅光子集成的工藝流程可以與現(xiàn)有硅基CMOS集成電路工藝兼容，這有助于混合硅基光電子的集成[4]。近年來(lái)，硅基光子集成器件逐漸從學(xué)術(shù)界的研究轉(zhuǎn)變到產(chǎn)業(yè)界的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，特別是在高速光通信中硅基集成器件的使用上（包括調(diào)制器、探測(cè)器、光開(kāi)關(guān)以及相干接收機(jī)等）扮演著核心的角色[5-10]。一系列的進(jìn)展和突破加速了大數(shù)據(jù)時(shí)代和全球信息一體化進(jìn)程的到來(lái)。同時(shí)，海量數(shù)據(jù)的傳輸和處理對(duì)高速大容量光通信提出了更高的要求。

在以光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸為核心的光通信系統(tǒng)中，通信容量的提升面臨著很大的壓力。傳統(tǒng)的光通信技術(shù)主要圍繞著光的波長(zhǎng)維度進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用，例如，在C+L波段采用更加密集的波分復(fù)用技術(shù)（WDM）來(lái)增大通信容量[11]。與此同時(shí)，對(duì)光單一維度資源的開(kāi)發(fā)也面臨著越來(lái)越大的挑戰(zhàn)，并且慢慢接近極致。光的多維度資源利用，如光時(shí)分復(fù)用（OTDM）、偏振復(fù)用（PDM）、高級(jí)調(diào)制格式等技術(shù)引領(lǐng)了光通信的發(fā)展變革[12-16]。然而，近年來(lái)這些光波維度資源幾乎達(dá)到極致，例如，光時(shí)分復(fù)用（OTDM）技術(shù)已達(dá)到T波特符號(hào)率[14]，PDM技術(shù)受限于兩個(gè)偏振[15]，高級(jí)調(diào)制格式已經(jīng)達(dá)到超高維度正交幅度調(diào)制（4 096-QAM）[16]；因此，光波的空間結(jié)構(gòu)維度被視為新的維度資源。

光波的空間結(jié)構(gòu)維度可以與光波的波長(zhǎng)、偏振、時(shí)間和復(fù)振幅等多個(gè)維度資源相結(jié)合，以進(jìn)一步提升通信容量。對(duì)光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而言，光波空間結(jié)構(gòu)維度資源的利用實(shí)際上是對(duì)光纖介質(zhì)的改變和升級(jí)。由現(xiàn)有的單芯單模光纖發(fā)展出多芯光纖、少模光纖和多芯少模光纖等，通過(guò)將空分復(fù)用（SDM）技術(shù)與WDM、PDM、OTDM和高級(jí)調(diào)制格式技術(shù)相結(jié)合來(lái)提升通信容量[17-22]。2012年，研究人員在實(shí)驗(yàn)中結(jié)合WDM、PDM和高級(jí)調(diào)制格式實(shí)現(xiàn)了11 bit/（s·Hz）的凈頻譜效率，其中標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SSMF）在165 km的傳輸速率為101.7 Tbit/s，共使用了370個(gè)密集波分復(fù)用（DWDM）信道，這些信道間隔為25 GHz，覆蓋整個(gè)C+L波段，每個(gè)25 GHz信道被細(xì)分為4個(gè)子帶，每個(gè)子帶攜帶73.5 Gbit/s正交頻分復(fù)用（OFDM）信號(hào)，在每個(gè)調(diào)制的副載波上用PDM和128-QAM調(diào)制[11]。近年來(lái)， SDM技術(shù)利用空間域的光場(chǎng)復(fù)用進(jìn)一步提升通信容量。按照不同的空間模式，空間域結(jié)構(gòu)光場(chǎng)包括軌道角動(dòng)量（OAM）模式、貝塞爾模式、線偏振（LP）模式、矢量模式、空間陣列等[20]。例如，在自由空間光通信中，利用雙同心環(huán)偏振復(fù)用8個(gè)OAM模式（32個(gè)信道），實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了2.56 Tbit/s通信容量和 95.7 bit/（s·Hz）頻譜效率[21]；在光纖通信中，利用環(huán)形芯光纖有效抑制徑向高階模式，結(jié)合12.5 Gbaud 8-QAM信號(hào)、兩個(gè)OAM高階模式（模群復(fù)用）、112個(gè)波長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了18 km光纖OAM復(fù)用通信，無(wú)須多輸入多輸出（MIMO）數(shù)字信號(hào)處理[22]。

在整個(gè)光通信系統(tǒng)中，光波全維度資源的利用對(duì)硅基集成芯片在光波多維復(fù)用和處理上提出了更高的要求。為充分發(fā)揮全維度資源在光通信系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)，硅基光子集成芯片也需要具備多維復(fù)用與處理的能力[23-24]。同時(shí)，隨著近年來(lái)大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)和人工智能的興起，人們對(duì)硅基光子集成芯片的要求也從常規(guī)的多功能、可調(diào)諧、可編程轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑?，要求硅基光子集成芯片能夠在某些方面（比如光?jì)算等）超越并替代傳統(tǒng)電子芯片的功能[25-27]。

1 光子的基本維度資源和硅基光子集成芯片的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)

與光相關(guān)的應(yīng)用幾乎都是圍繞光子的各個(gè)維度資源展開(kāi)的。光最大的特點(diǎn)是具有多個(gè)維度。如圖1（a）所示，光子的基本維度資源包括復(fù)振幅、波長(zhǎng)/頻率、時(shí)間、偏振以及空間域。在高速光通信中，圍繞復(fù)振幅、波長(zhǎng)、時(shí)間、偏振維度分別開(kāi)發(fā)了高階調(diào)制格式、WDM、TDM、PDM技術(shù)。光子多維度復(fù)用和信號(hào)處理有望有效緩解當(dāng)前的信息容量危機(jī)和能耗危機(jī)。光子多維復(fù)用傳輸技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)芯片上的光子多維復(fù)用和處理提出了新的要求。同時(shí)，近年來(lái)，硅基光電子的發(fā)展非常迅速，部分產(chǎn)品已經(jīng)商業(yè)產(chǎn)品化，這一方面得益于CMOS集成電路成熟的工藝；另一方面，硅基集成在集成度、功耗、損耗等性能指標(biāo)上具有明顯優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，硅基光子集成芯片在單元結(jié)構(gòu)（包括光柵、微環(huán)、陣列波導(dǎo)光柵等）、調(diào)制器、探測(cè)器、衰減器、偏振處理器上已經(jīng)日漸成熟，為滿足光通信系統(tǒng)中光子多維復(fù)用和處理的需求打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[28-30]。

圖1（b）總結(jié)了硅基光子集成芯片的發(fā)展趨勢(shì)和特點(diǎn)。從集成度來(lái)看，早期的體元件逐漸被片上硅基集成器件替代，最終要實(shí)現(xiàn)的是集成光路（PICs），實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)（SoC）。硅基集成芯片對(duì)光子復(fù)用和處理的維度也逐漸從單一維度發(fā)展為少數(shù)維度，并最終升級(jí)為全維度。這將極大地有助于整個(gè)光通信系統(tǒng)全維度資源的充分利用和發(fā)展。此外，硅基集成芯片的功能也將逐步從固定功能發(fā)展到可調(diào)諧、可重構(gòu)、可編程，并最終實(shí)現(xiàn)芯片的高度智能化以處理更加復(fù)雜的任務(wù)[25-30]。

2 硅基光子單一維度復(fù)用和處理芯片

▲圖1 光子基本物理維度資源和硅基光子集成的發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，為了更好地匹配融合現(xiàn)有光通信系統(tǒng)，硅基光子集成芯片在單一維度的復(fù)用和處理上取得了很多研究成果。就WDM技術(shù)而言，實(shí)現(xiàn)波分的基本原理是利用光束干涉，具體又可分為雙光束干涉以及多光束干涉。常見(jiàn)的波分復(fù)用器件有馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x（MZI）、微環(huán)諧振器（MRR）以及陣列波導(dǎo)光柵（AWG）等[31-34]。其中，MZI作為雙光束干涉器件，可以通過(guò)級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)平坦通帶的濾波，從而減小外界溫度等對(duì)波長(zhǎng)漂移的影響，具有更高的容忍度；而MRR、AWG等器件，可以實(shí)現(xiàn)更窄帶寬的濾波，因此在多通道密集波長(zhǎng)復(fù)用中發(fā)揮著重要的作用。

模式復(fù)用技術(shù)利用波導(dǎo)中的不同模式作為信息傳輸?shù)妮d體，其關(guān)鍵是激發(fā)波導(dǎo)中的不同高階模式并加載到主干路波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)多種模式復(fù)用，其關(guān)鍵器件是模式復(fù)用器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)從基模到高階模的有效轉(zhuǎn)換。模式復(fù)用器的實(shí)現(xiàn)方案有很多已被報(bào)道，主要有多模干涉儀（MMI）結(jié)構(gòu)、絕熱模式演變耦合結(jié)構(gòu)以及非對(duì)稱耦合結(jié)構(gòu)等。由于MMI型模式復(fù)用器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不利于模式通道數(shù)的擴(kuò)展，而絕熱模式演變耦合型對(duì)工藝誤差較為敏感；因此，基于非對(duì)稱耦合結(jié)構(gòu)的模式復(fù)用器以其低串?dāng)_、低插損、大帶寬等特點(diǎn)獲得了廣泛的應(yīng)用[35-38]。除了片上波導(dǎo)模式復(fù)用之外，硅基光子集成芯片也可用來(lái)產(chǎn)生光纖或自由空間模式，比如少模光纖內(nèi)的線偏振（LP）模式，自由空間中的矢量模式、OAM模式等[39-42]。

偏振態(tài)也是光的一個(gè)重要屬性。對(duì)于硅波導(dǎo)而言，硅和包層空氣或二氧化硅存在大折射率差，其雙折射效應(yīng)極為顯著；因此，大多數(shù)硅波導(dǎo)器件均具有非常嚴(yán)重的偏振敏感特性。為實(shí)現(xiàn)片上PDM，近年來(lái)各種片上偏振分束器件（PBS）已被報(bào)道，包括耦合結(jié)構(gòu)和亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)等，為片上偏振復(fù)用系統(tǒng)的研究應(yīng)用提供了基礎(chǔ)[43-46]。

此外，硅基集成器件對(duì)高級(jí)調(diào)制格式的加載主要是依靠高速的、基于載流子色散效應(yīng)的硅基調(diào)制器。一般常用的硅基調(diào)制器分可為兩類：一類是基于微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)，另一類是基于MZI結(jié)構(gòu)。這兩類結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)也十分明顯：微環(huán)調(diào)制所需的功耗低，但是帶寬窄；MZI結(jié)構(gòu)尺寸大（毫米級(jí)別），功耗大一些，可以實(shí)現(xiàn)寬帶工作[47-50]。

硅基光子單一維度處理芯片，主要集中在波長(zhǎng)、模式和偏振3個(gè)方面。波長(zhǎng)維度的光信號(hào)處理在光通信中有著重要應(yīng)用，全光的光譜濾波、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換以及波長(zhǎng)選擇性光開(kāi)關(guān)等在WDM以及全光網(wǎng)絡(luò)中有著重要作用[51-57]。硅基片上模式處理主要包括模式合成轉(zhuǎn)換、模式過(guò)濾以及模式光開(kāi)關(guān)等，為模分復(fù)用通信系統(tǒng)提供更大的靈活性[58-61]。硅基片上偏振處理器件除了用于偏振復(fù)用的偏振分束器之外，還有偏振起偏器、偏振旋轉(zhuǎn)器以及偏振旋轉(zhuǎn)分束器[62-65]。

硅基光子單一維度復(fù)用和處理芯片走向?qū)嶋H應(yīng)用的最大困難可能在于器件的性能。盡管從集成度上來(lái)看硅基光子集成具備優(yōu)勢(shì)，但是在有些情況下?tīng)奚似骷牟糠中阅?。以硅基AWG為例，在保證低損耗和低串?dāng)_的情況下，目前很難做到更多通道、更密集的WDM。針對(duì)模式和偏振復(fù)用，片上更高階的模式耦合和激發(fā)是一個(gè)難點(diǎn)，新興的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)為此提供了新的設(shè)計(jì)方法。

3 硅基光子多維復(fù)用/解復(fù)用芯片

目前，WDM、PDM和MDM等單一維度復(fù)用/解復(fù)用技術(shù)均已應(yīng)用于光通信，將多種復(fù)用方式綜合運(yùn)用還可形成多維復(fù)用技術(shù)，從而顯著增加可用通道數(shù)和提高通信容量，這也是未來(lái)超大容量光通信/光互連的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)；因此，與之相匹配的硅基光子多維復(fù)用/解復(fù)用芯片也受到了廣泛關(guān)注。

3.1 波長(zhǎng)-模式混合復(fù)用/解復(fù)用

將多模式和多波長(zhǎng)相互結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)一種波長(zhǎng)-模式的混合復(fù)用/解復(fù)用。根據(jù)前面提到的波分復(fù)用器以及模分復(fù)用器結(jié)構(gòu)，一種簡(jiǎn)單的方案是將兩種復(fù)用/解復(fù)用器結(jié)構(gòu)相互級(jí)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)混合復(fù)用/解復(fù)用。如圖2（a）所示的波長(zhǎng)-模式混合復(fù)用/解復(fù)用器，它由一個(gè)基于級(jí)聯(lián)非對(duì)稱定向耦合器結(jié)構(gòu)的4通道模式解復(fù)用器以及兩個(gè)支持16波長(zhǎng)通道的雙向型AWG構(gòu)成。4個(gè)模式和16個(gè)波長(zhǎng)攜帶的64通道多維復(fù)用光信號(hào)，首先被4通道模式解復(fù)用器分成4組基模，每組均含有16個(gè)波長(zhǎng)通道，然后分別從模式解復(fù)用器的單模輸出波導(dǎo)出射并分別進(jìn)入各自的波分解復(fù)用器，由此實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)從不同輸出端口輸出。其中，模式解復(fù)用器引入的模式通道間串?dāng)_＜-20 dB ；而AWG波分復(fù)用器引入的波長(zhǎng)通道間串?dāng)_約為-14 dB[66]。由于級(jí)聯(lián)微環(huán)用于波分復(fù)用系統(tǒng)具有緊湊、低損耗以及低串?dāng)_等優(yōu)勢(shì)，另一種替代的方案是將模分復(fù)用器同陣列級(jí)聯(lián)微環(huán)進(jìn)行串聯(lián)?；诜菍?duì)稱定向耦合器的4通道模式解復(fù)用器以及8通道級(jí)聯(lián)微環(huán)方形濾波器，實(shí)現(xiàn)了模式串?dāng)_約-20 dB、波長(zhǎng)串?dāng)_約-25 dB的混合解復(fù)用[67]。除此之外，圖2（b）提出了另外一種將微環(huán)波長(zhǎng)復(fù)用器與定向耦合模式復(fù)用器混合兼容的方式，其利用單模微環(huán)諧振器來(lái)選擇性地耦合多模波導(dǎo)中的不同模式。由于微環(huán)還可以支持多個(gè)波長(zhǎng)復(fù)用通道，從而可以實(shí)現(xiàn)微環(huán)在不同波長(zhǎng)下對(duì)模式的選擇性耦合[68]。

3.2 偏振-模式混合復(fù)用/解復(fù)用

片上兩種不同偏振的高階模式均可利用級(jí)聯(lián)非對(duì)稱定向耦合器結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)用解復(fù)用，而不同偏振的復(fù)用解復(fù)用則可以通過(guò)偏振旋轉(zhuǎn)器（PR）以及偏振分束器（PBS）等來(lái)實(shí)現(xiàn)；因此，偏振-模式的混合復(fù)用可先通過(guò)PR或PBS結(jié)構(gòu)得到對(duì)應(yīng)偏振下的基模，然后通過(guò)級(jí)聯(lián)的非對(duì)稱定向耦合器結(jié)構(gòu)完成不同高階模式的復(fù)用。已有報(bào)道中提到利用PBS演示了同時(shí)實(shí)現(xiàn)4個(gè)橫磁模（TM）和6個(gè)橫電模（TE）的10通道偏振-模式混合復(fù)用器，在1 525～1 610 nm的大波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有約-10 dB串?dāng)_[69]。同時(shí)，光纖內(nèi)的不同偏振模式也可通過(guò)片上結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)用解復(fù)用，如圖2（c）所示，其利用5個(gè)緊密排放的小型二維垂直耦合光柵，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)少模光纖的不同偏振共6個(gè)模式的激發(fā)或者檢測(cè)[70]。除此之外，不同偏振的空間模式可通過(guò)片上光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)用解復(fù)用，利用二維疊加全息叉形光柵結(jié)構(gòu)，將波導(dǎo)中的平面導(dǎo)模耦合成自由空間中的偏振多樣性O(shè)AM模式，有望實(shí)現(xiàn)不同偏振下不同階數(shù)的OAM模式復(fù)用[71]。

3.3 偏振-波長(zhǎng)混合復(fù)用/解復(fù)用

圖2（d）展示了一種由PBS、PR以及AWG構(gòu)成的偏振-波長(zhǎng)混合解復(fù)用器。首先利用寬帶PBS將入射光信號(hào)分為TE偏振及TM偏振兩組，每組都包含多個(gè)波長(zhǎng)通道，然后TM偏振光經(jīng)過(guò)一個(gè)PR被旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)換成TE偏振，最后這兩組信號(hào)被分別輸入到雙向型AWG的兩個(gè)輸入波導(dǎo)進(jìn)行多路波長(zhǎng)解復(fù)用。這種混合解復(fù)用器件的性能分別由單一偏振以及波長(zhǎng)解復(fù)用的性能決定，實(shí)現(xiàn)了偏振消光比＜-20 dB，波長(zhǎng)串?dāng)_值約-13 dB[72]。

3.4 模式/波長(zhǎng)復(fù)用-復(fù)振幅高級(jí)調(diào)制格式

同時(shí)，將混合多維復(fù)用技術(shù)與各種高級(jí)調(diào)制格式相結(jié)合，可進(jìn)一步提升光互連與光通信的容量。華中科技大學(xué)研究人員展示了一種模分復(fù)用技術(shù)結(jié)合高級(jí)調(diào)制格式的方案，兩通道的模分復(fù)用由光柵輔助的非對(duì)稱耦合器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，而調(diào)制格式則選擇基于正交頻分復(fù)用的偏置正交振幅調(diào)制（OFDM/OQAM），具有較高的旁瓣抑制率，可以有效地進(jìn)行高階調(diào)制[73]。實(shí)驗(yàn)中，利用雙通道MDM加載256-QAM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了23.89 Gbit/s的信息傳輸。此外，利用波分復(fù)用系統(tǒng)加載高階調(diào)制格式的方案也有報(bào)道。該方案通過(guò)利用兩個(gè)級(jí)聯(lián)AWG構(gòu)成16個(gè)波長(zhǎng)通道的WDM系統(tǒng)，每個(gè)通道攜帶10 Gbaud的16-QAM信號(hào)，演示了具有640 Gbit/s吞吐量的可編程光學(xué)濾波和上傳下載[74]。

4 硅基光子多維處理芯片

▲圖2 硅基光子多維復(fù)用/解復(fù)用器件

▲圖3 硅基光子多維處理器件

近來(lái)針對(duì)混合多維復(fù)用信號(hào)的處理也引起了越來(lái)越多的關(guān)注，主要集中在多維復(fù)用光開(kāi)關(guān)方面。目前用于大規(guī)模光開(kāi)關(guān)陣列中的交換單元，無(wú)論是MRR還是MZI，都是針對(duì)波導(dǎo)中的基模工作；因此，多維混合復(fù)用系統(tǒng)中通常需要將高階模式解復(fù)用為TE偏振基模，然后進(jìn)行光交換處理。圖3（a）演示了一種偏振-模式混合的1×2選擇光開(kāi)關(guān)，利用PBS和非對(duì)稱定向耦合器結(jié)構(gòu)構(gòu)成的支持4個(gè)TE偏振以及4個(gè)TM偏振模式的混合復(fù)用解復(fù)用器來(lái)實(shí)現(xiàn)共8個(gè)模式的解復(fù)用，然后通過(guò)MZI光開(kāi)關(guān)陣列以及級(jí)聯(lián)的光交叉實(shí)現(xiàn)1×2的路由選擇，其平均串?dāng)_值＜-15 dB[75]?；陬愃乒ぷ髟聿⒔Y(jié)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖3（b）演示了一種可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)偏振、兩個(gè)模式的2×2選擇性光開(kāi)關(guān)，該結(jié)構(gòu)利用PBS來(lái)減小模間串?dāng)_。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，同一通道間不同偏振模式的模間串?dāng)_以及不同通道間同一偏振模式的模內(nèi)串?dāng)_均為-23 dB左右[76]。對(duì)于混合WDMMDM系統(tǒng)，可以通過(guò)模式復(fù)用解復(fù)用器件和陣列MRR光開(kāi)關(guān)級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)多個(gè)波長(zhǎng)和模式通道的選擇性上傳下載以及光切換，如圖3（c）所示[77]。另外，同時(shí)針對(duì)波長(zhǎng)、偏振、模式的光開(kāi)關(guān)最近也開(kāi)始有所報(bào)道，如圖3（d）所示，其利用偏振-模式混合復(fù)用器以及級(jí)聯(lián)微環(huán)進(jìn)行混合信號(hào)復(fù)用，然后利用MZI光開(kāi)關(guān)陣列實(shí)現(xiàn)通道交換[78]。目前，多維混合復(fù)用光信號(hào)處理尚處于初始研究階段，針對(duì)波長(zhǎng)、偏振、模式的大規(guī)模無(wú)阻塞光開(kāi)關(guān)陣列以及更多混合信號(hào)處理功能仍是個(gè)不小的挑戰(zhàn)。特別地，光纖模式復(fù)用與芯片上模式復(fù)用的對(duì)接和融合是一個(gè)難點(diǎn)。目前，大多研究工作集中在利用硅基光子集成芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖多個(gè)模式的解復(fù)用，但還未實(shí)現(xiàn)光纖內(nèi)模式與芯片上模式的一一對(duì)應(yīng)耦合；因此，該工作還需進(jìn)一步探索。

硅基光子集成芯片大多是針對(duì)某些特定應(yīng)用的場(chǎng)景，如微環(huán)諧振腔、非對(duì)稱MZI、光開(kāi)關(guān)陣列等都需要特定的設(shè)計(jì)，然后再制備出來(lái)。從電子的“現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）”借鑒思路，能夠在硅基光子集成平臺(tái)上制備出類似的可編程光“FPGA”結(jié)構(gòu)。圖4所示是基于六邊形結(jié)構(gòu)的光“FPGA”，該結(jié)構(gòu)的基本單元是由單個(gè)可調(diào)的MZI構(gòu)成。通過(guò)該陣列，可以路由光在片上的傳輸路徑，構(gòu)建不同的功能性器件，包括微環(huán)結(jié)構(gòu)、MZI結(jié)構(gòu)、光開(kāi)關(guān)陣列、延時(shí)線等[79-83]。

5 硅基光子集成芯片與人工智能

近年來(lái)，人工智能再度興起，其中，深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)處理應(yīng)用更加廣泛。同時(shí)，隨著硅基光子集成器件的逐步成熟，需要新的技術(shù)來(lái)與硅基芯片進(jìn)行進(jìn)一步融合。這些均為硅基光子集成芯片與人工智能的融合提供了契機(jī)。一方面，硅基集成芯片的技術(shù)已經(jīng)成熟，另一方面，相比于電子，光子在傳輸、功耗等方面具備絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；因此，近年來(lái)針對(duì)硅基芯片與人工智能的研究越來(lái)越多，這推動(dòng)了硅基光子集成器件從單一功能、可調(diào)諧、可重構(gòu)到智能化方向發(fā)展[25-27]，其中，包括硅光子芯片的算法優(yōu)化、硅光子芯片上的深度學(xué)習(xí)、片上神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬等。這些研究為硅基光子集成芯片的發(fā)展提供了新的方向，也為進(jìn)一步實(shí)際應(yīng)用提供了更豐富的選擇。

5.1 光子集成器件的常規(guī)算法優(yōu)化

▲圖4 硅基光子可編程處理器件[80]

▲圖5 基于常規(guī)算法優(yōu)化的硅基光子集成器件[84-86]

圖5（a）為一款超小緊湊的集成光學(xué)偏振分束器，該器件的尺寸僅為2.4×2.4 μm2。將器件離散化為400個(gè)120 nm×120 nm的方塊，可稱之為像素。每個(gè)這樣的像素有兩種狀態(tài)：硅或空氣。通過(guò)使用一個(gè)非線性優(yōu)化算法（二值化直接搜索）進(jìn)行優(yōu)化，該器件的工作波段可處于1 550 nm。具體方法為：首先，一個(gè)隨機(jī)選擇的像素被選擇為刻蝕，然后計(jì)算其輸出結(jié)果（這里是兩個(gè)偏振的平均透射效率），如果這個(gè)平均透射效率有提高，那么這個(gè)像素就確定為刻蝕，如果沒(méi)有提高就為不刻蝕。如此循環(huán)迭代很多次后，偏振分束器的性能接近最佳。實(shí)驗(yàn)制作中，輸入輸出波導(dǎo)以及核心器件的刻蝕僅需要一次，不需要套刻。器件的平均傳輸效率超過(guò)70%，消光比超過(guò)10 dB，工作帶寬為32 nm。仿真中，該器件在波導(dǎo)厚度上的工藝誤差在±20 nm[84]。該結(jié)構(gòu)為微納光子集成器件的設(shè)計(jì)提供了一種可選擇的思路；但算法不夠智能且計(jì)算較為復(fù)雜，一旦器件尺寸變大，像素增多就使得計(jì)算量急劇增大。

▲圖6 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的光子集成器件[87-92]

圖5（b）為硅基超緊湊模式復(fù)用器件，它同樣通過(guò)二值化直接搜索算法實(shí)現(xiàn)2個(gè)模式和3個(gè)模式的復(fù)用和解復(fù)用。不同在于，工藝上刻蝕像素單元是圓孔形狀，而不是之前的方形[85]。圖5（c）為基于另一種算法優(yōu)化的硅基波分復(fù)用器。采用粒子群優(yōu)化（PSO）與時(shí)域有限差分（FDTD）相結(jié)合的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[86]，這種方法已被證明在設(shè)計(jì)緊湊、多參數(shù)光學(xué)器件方面具有強(qiáng)大能力，文中緊湊、超低損耗、中心波長(zhǎng)分別在1 550 nm和1 310 nm的波長(zhǎng)解復(fù)用器得以設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

5.2 光子集成器件的人工智能優(yōu)化

除優(yōu)化算法外，近幾年來(lái)，深度學(xué)習(xí)也被引入光子集成器件的設(shè)計(jì)中。圖6（a）是通過(guò)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)的分束器。按不同層的位置劃分，DNN內(nèi)部的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層可分為輸入層、隱藏層和輸出層。一般第一層是輸入層，最后一層是輸出層，中間的層數(shù)都是隱藏層。層與層之間是全連接的，即第i層的任意一個(gè)神經(jīng)元一定與第i+1層的任意一個(gè)神經(jīng)元相連[87]。反向傳播算法（BP）是DNN學(xué)習(xí)中一個(gè)非常關(guān)鍵的過(guò)程，由正向傳播和反向傳播組成。在正向傳播過(guò)程中，輸入信息通過(guò)輸入層、經(jīng)隱藏層逐層處理并傳向輸出層。如果在輸出層得不到期望的輸出值，則取輸出結(jié)果與樣本標(biāo)簽誤差的平方和作為目標(biāo)函數(shù)，轉(zhuǎn)入反向傳播。通過(guò)對(duì)損失函數(shù)用梯度下降法進(jìn)行迭代優(yōu)化求極小值，找到合適的輸出層和隱藏層對(duì)應(yīng)的線性系數(shù)矩陣W和偏置向量b，網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)在權(quán)值修改過(guò)程中完成，誤差達(dá)到所期望值時(shí)，學(xué)習(xí)結(jié)束。圖6（a）所示的分束器經(jīng)DNN優(yōu)化后，端口反射率低于-20 dB，透射率超過(guò)90%。圖6（b）提出了一種利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)模擬多層納米顆粒光散射的方法。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)只需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行小樣本的訓(xùn)練就可以近似地模擬高精度的數(shù)據(jù)。一旦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被訓(xùn)練，它就可以比傳統(tǒng)方法更快地模擬這種光學(xué)過(guò)程[88]。圖6（c）中，雙向的DNN被用于產(chǎn)生精準(zhǔn)的硅納米結(jié)構(gòu)顏色。硅納米結(jié)構(gòu)顏色的印刷分辨率和色域都比sRGB高[89]。精確的顏色是由納米結(jié)構(gòu)的局部磁偶極和電偶極共振決定的，它們對(duì)其幾何變化非常敏感。通常情況下，特定顏色的設(shè)計(jì)和幾何參數(shù)的迭代優(yōu)化需要非常大的計(jì)算量，而獲得數(shù)百萬(wàn)種不同的結(jié)構(gòu)顏色是一個(gè)挑戰(zhàn)。在這里，通過(guò)訓(xùn)練一個(gè)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)正演模擬過(guò)程中隨機(jī)硅納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的顏色，并解決反向設(shè)計(jì)過(guò)程中的非均勻性問(wèn)題，該方法可以精確輸出至少100萬(wàn)種不同顏色。研究結(jié)果表明，深度學(xué)習(xí)是降低納米計(jì)算成本和最大化設(shè)計(jì)效率的有力工具，可以很好地指導(dǎo)硅結(jié)構(gòu)顏色生成。圖6（d）中，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行逆設(shè)計(jì)存在非均勻性是逆散射問(wèn)題中的一個(gè)典型問(wèn)題。該問(wèn)題使得在一個(gè)大的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變得非常困難，而這個(gè)大的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集通常需要對(duì)復(fù)雜的光結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。將正向建模和反向設(shè)計(jì)結(jié)合在一個(gè)串聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)中可以克服這一問(wèn)題，使包含非均勻電磁散射實(shí)例的數(shù)據(jù)集能夠有效訓(xùn)練深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[90]。此外，如圖6（e）和6（f）所示，深度學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被進(jìn)一步用于手性超材料和高Q值的光子晶體L3納米腔體的設(shè)計(jì)，均獲得不錯(cuò)的效果[91-92]。

5.3 硅基光子集成芯片上的人工智能實(shí)現(xiàn)

除通過(guò)算法（包括常規(guī)算法和深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)算法）對(duì)硅基等微納光子器件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化之外，人工智能（包括深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和類比真實(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)等）硅基光子集成芯片也得以實(shí)現(xiàn)[93-99]。硅基光子集成芯片上的許多功能器件都基于光場(chǎng)的干涉效應(yīng)，其中MZI結(jié)構(gòu)最為常見(jiàn)。在2017年，美國(guó)麻省理工學(xué)院學(xué)者報(bào)道了一個(gè)全光人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（非線性計(jì)算模塊在片外實(shí)現(xiàn)），用于實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別的深度學(xué)習(xí)[93]。如圖7所示，該硅基陣列結(jié)構(gòu)是一個(gè)2層全光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由56個(gè)可熱調(diào)的MZI單元組成，并有4個(gè)輸入和4個(gè)輸出端口。一個(gè)任意的實(shí)值矩陣均可以通過(guò)奇異值分解（SVD）方法來(lái)獲得，即M=UΣV?，其中U為酉矩陣，V?為酉矩陣V的復(fù)共軛，Σ為對(duì)角矩陣。片上酉矩陣的制備可以通過(guò)Reck或Clements型MZI陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)角矩陣可通過(guò)光衰減器來(lái)實(shí)現(xiàn)；因此，每層均是一個(gè)可任意重構(gòu)的矩陣[94]。另外，針對(duì)兩層之間的非線性單元，可利用常見(jiàn)的光學(xué)非線性來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如飽和吸收、雙穩(wěn)態(tài)等。

在實(shí)驗(yàn)中，為準(zhǔn)備訓(xùn)練和測(cè)試數(shù)據(jù)集，有360個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)被使用，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)由一個(gè)音素的4個(gè)對(duì)數(shù)面積比系數(shù)組成。對(duì)數(shù)面積比系數(shù)或特征向量表示在不同對(duì)數(shù)間隔的頻帶中包含的功率，可通過(guò)計(jì)算傅里葉語(yǔ)音信號(hào)乘以漢明窗函數(shù)的變換來(lái)表示。這360個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)自90個(gè)人的采樣（每個(gè)人說(shuō)4種不同的元音），其中一半的數(shù)據(jù)點(diǎn)用于訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，另一半用于測(cè)試該訓(xùn)練過(guò)的全光人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上使用隨機(jī)梯度下降法和標(biāo)準(zhǔn)反向傳播算法訓(xùn)練全光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的矩陣參數(shù)。片上人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在計(jì)算速度和功耗上均具備優(yōu)勢(shì)，可滿足大數(shù)據(jù)處理的高速和低功耗需求。

▲圖7 硅基光子集成芯片用于深度學(xué)習(xí)[93]

近年來(lái)，越來(lái)越多的研究集中在尋找新的“神經(jīng)形態(tài)計(jì)算”架構(gòu)來(lái)模擬大腦同時(shí)處理和信息存儲(chǔ)的能力。因?yàn)樵谡鎸?shí)的大腦中，神經(jīng)元突觸比神經(jīng)元在數(shù)量上多出很多個(gè)數(shù)量級(jí)，實(shí)現(xiàn)模擬突觸功能的硬件設(shè)備是第一步也是必不可少的一步。使用純光學(xué)手段有很多好處，包括超快的運(yùn)行速度、幾乎無(wú)限的帶寬以及很小的功率損失?；谙嘧儾牧虾图善骷墓庾由窠?jīng)形態(tài)計(jì)算也是一個(gè)非常有前景的方法[95]。很多報(bào)道已經(jīng)證明這些材料和器件具有內(nèi)在的能力，能夠在硬件上提供神經(jīng)元的基本集成和激發(fā)功能以及突觸的塑性加權(quán)操作。2019年業(yè)界報(bào)道了第一個(gè)可用于構(gòu)建尖峰神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的全光集成和可擴(kuò)展神經(jīng)形態(tài)框架，并證明該系統(tǒng)能夠完成典型的人工智能模式識(shí)別任務(wù)[96]。此外，該系統(tǒng)的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)包括有監(jiān)督和無(wú)監(jiān)督兩種方式，這兩種方式具有不同的學(xué)習(xí)規(guī)則，都有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景?；诓ǚ謴?fù)用技術(shù)，該片上集成系統(tǒng)包含4個(gè)神經(jīng)元和60個(gè)突出（共計(jì)140個(gè)光學(xué)元件）。在實(shí)驗(yàn)中，該神經(jīng)突觸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被成功應(yīng)用于字母識(shí)別。

除了硅基片上神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，自由空間中的衍射深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)同樣被用于深度學(xué)習(xí)中，包括3D打印的衍射深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和傅里葉空間衍射深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[97]。其中，傅里葉空間衍射深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)在傅里葉平面放置簡(jiǎn)單的衍射調(diào)制層來(lái)實(shí)現(xiàn)的，另外光學(xué)非線性是通過(guò)鐵電薄引入的，上述方案的優(yōu)勢(shì)在于方案簡(jiǎn)單和光速的處理速度[98]。

6 總結(jié)和展望

通過(guò)對(duì)近年來(lái)智能硅基多維復(fù)用與處理芯片研究進(jìn)展的簡(jiǎn)要回顧，可以看到，從光子的多維度資源出發(fā)，硅基芯片上的復(fù)用從單一維度逐步發(fā)展為多個(gè)維度，芯片的處理功能也從單一波長(zhǎng)維度逐漸發(fā)展為多個(gè)維度。以光子多個(gè)維度資源為基礎(chǔ)，硅基光子集成平臺(tái)和技術(shù)提供了強(qiáng)有力的支撐，在多維復(fù)用和處理上取得了很多成果。此外，隨著大數(shù)據(jù)和人工智能時(shí)代的到來(lái)，智能算法也為硅基芯片的設(shè)計(jì)提供了新的思路，如新型超緊湊的模式復(fù)用器、波分器件、偏振器件等。硅基光子集成芯片實(shí)現(xiàn)人工智能是近年來(lái)的熱點(diǎn)，一方面硅基光子集成工藝和技術(shù)日漸成熟，另一方面光子的傳輸和處理比電子更具優(yōu)勢(shì)。目前，已有多種結(jié)構(gòu)被用于實(shí)現(xiàn)片上的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或模擬真實(shí)大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，均取得不錯(cuò)的效果。

為進(jìn)一步滿足全維度光通信系統(tǒng)對(duì)多維復(fù)用和處理的需求，硅基光子集成芯片需要進(jìn)一步融合多維度資源，實(shí)現(xiàn)片上全維度的復(fù)用和處理。與此同時(shí)，緊密結(jié)合鍺、Ⅲ-Ⅴ族有源材料、相變材料、鈮酸鋰（薄膜）等，將進(jìn)一步助于實(shí)現(xiàn)更豐富的光信號(hào)處理；緊密結(jié)合各種先進(jìn)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有集成功能器件的進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化；緊密結(jié)合人工智能等，實(shí)現(xiàn)全光片上神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的制備，探索全光計(jì)算，以在部分計(jì)算領(lǐng)域替代傳統(tǒng)電子計(jì)算。