科学家研发硅光传算处理芯片，实现片间多模复用

近日，香港科技大学（广州）童业煜教授和团队，利用硅光集成芯片成功建立了多模复用和传算融合的片间光纤互连通信系统，有望以芯片集成方案降低应用成本和大规模实现。

图 | 童业煜（来源：童业煜）

利用现有的硅基光子集成工艺，该课题组解决了多模耦合和信道串扰这两大技术难题。

以此推动建立了多模式芯光互连系统，促进了多模复用光纤系统在数据传输、量子通信、传感成像等领域的应用。

在该研究中，该团队先是提出了四向对称的多模啁啾光栅耦合器结构，首次实现了可以高效率地、选择性激发 8 个光纤的线性偏振模式，并且能够兼容标准的硅光流片工艺。

结合亚波长 Mikaelian 透镜结构的模斑大小转换器，让芯光互连 IO 接口的尺寸能被压缩 35×35µm2。

进而在传输效率、模式数目、结构尺寸上均能取得有效突破，这对于探索高密度的芯光互连接口和多模的光纤系统具有重要意义。

图丨传算融合的硅光集成芯片（来源：Nature Communications）

进一步地，为了解决模间信号串扰的问题，课题组利用马赫曾德干涉器构成的可重构片上光学网络，将信号传输与运算结合，让光计算加速的固有优势得以利用。

从而实现只需通过片上光学网络的一次传输，就能解决多模信号光纤传输后的模间串扰问题。

最终，通过传算融合的硅光集成芯片，实验验证了 6 个偏振及模式信号的片间通信和信号光域处理。

从比利时到中国，一名科研人员的念念不忘

据介绍，虚拟现实、高性能计算、人工智能技术比如 ChatGPT 等的发展，其背后带来的是整个人类社会数据交换传输需求的爆炸性增长，尤其是数据中心内部和芯片封装的爆炸性增长。

20 世纪 60 年代，“光纤之父”、华裔物理学家高锟提出利用玻璃纤维进行远距离通信，自此掀起了全世界光纤通信的革命，为互联网的发展铺平了道路。

当前，学界和业界一直在探索如何利用光互连，实现更大的通信容量和更低的能耗成本。

光纤中的信号传输可以加载到不同频率，或通过不同光波导模式加以实现，从而利用同一根玻璃纤维来提升信号传输能力。

比如，当前数据中心的短距离光模块，正是采用 4-8 个不同频率波长的光源，并通过频分/波分复用的方式，来增加信号传输容量。

多年前，学界认为模式复用技术将会和波分复用技术趋于相似，即通过把信息加载到不同光纤波导模式，进一步地突破光纤通信系统的容量。

图丨基于硅光传算处理芯片的多模光纤互连通信系统（来源：Nature Communications）

然而，在实际的光纤通信之中，多模复用技术仍然存在很多难点。

比如，多模复用的光纤系统需要一个多通道、高效率、低成本的模式复用器件。

尽管三维激光直写波导、熔融光纤光子灯笼、多平面光转换等展现出不错的实验效果。

但是，学界和业界的共同期待在于：希望降低模式复用技术的复杂度和成本。

在此背景下，利用兼容大规模制造工艺的光子集成平台打造光纤多模复用器件，展现出低成本和低复杂度的优势。

然而，对于光纤的三维波导结构、以及光子集成平面波导来说，两者之间存在结构上的差异。

要想建立多模式、高效率的芯片-光纤互连方案，必将带来极大的技术挑战。

图丨芯光互连 I/O 器件的扫描电子显微镜图像（来源：Laser & Photonics Review）

另一方面，对于多模式的光信号传输来说，它极易带来模式间的信号串扰。

所以，对于模式复用的光纤系统来说，它通常需要结合相干通信技术和数字信号处理。

只有这样，才能解决模间信号串扰问题。而这会给通信系统的功耗、成本、和延时都带来极大挑战。

事实上，早在童业煜读博期间，他就曾尝试过挑战上述难题。

当时，为了实现更加高效的芯光互连器件原型方案，他提出了新的设计方法并且增加了不少假设条件，以至于自己对于所提出的设计方案毫无信心。

不仅如此，在完成器件制备之后，他在实际测试中也遇到一些难以理解的现象，所以当时他基本已经放弃了自己所制定的原型方案。

然而，恰巧当时欧洲集成光学会议在比利时根特召开，作为一名硅光集成方向的研究人员，童业煜迎来了拜访知名的比利时校际微电子中心（imec，Interuniversity Microelectronics Centre）和比利时根特大学的机会。

恰巧当时作为博士生的他，手头上仅有这份研究工作尚未完成。因此，他的聚焦点不得不转回到这个器件上，于是遂把碰到的测试问题“一个个吃掉”。

“最重要的是，当时我的博士生导师曾汉奇教授提出了几个关键点，帮我解决了测试过程中对于数据结果的疑惑。”童业煜说。

后来，童业煜将上述结果整理成论文，并开始向欧洲集成光学会议投稿。

他说：“我仍然记得在会议投稿截止前几个小时，我和导师一同完成了最后一张数据图测。后来。我们这份工作受邀在欧洲集成光学会议进行口头报告，也成为推动我申请、并作为研发工程师加入 imec 的契机。”

再后来，童业煜和导师将完整的设计方法整理为论文，并发表在 IEEE Journal of Quantum Electronics 上。

2022 年 5 月，童业煜从比利时微电子研究中心离职，回国加入香港科技大学（广州）微电子担任助理教授。

同年 9 月，他迎来了几位博士新生，于是针对上述问题启动了更进一步的研究。

无畏无限，边学边干

对于童业煜团队的新生来说，在设计硅基光子集成器件上，他们基本没有任何经验和背景。

为此，在启动研究和构思方案的时候，整个团队花了不少时间。

但是，童业煜发现年轻学生们非常聪明、思维也活跃，经过多次讨论分析之后，他们终于提出了一种可行方案，并顺利通过仿真验证和流片递送。

然而，在实验测试上学生们同样处于零经验状态，而本次测试方案的打磨过程，也成为了学生入门光子集成的“培训课程”。

图丨多模通信实测高速信号眼图及误码率（来源：Nature Communications）

期间，童业煜直接通过本次课题的流片原型，来指导学生进行基本的光子集成器件和通信系统性能测试。

“顺利完成测试之后，学生们和我感概道，博士入学就立即开始项目研究，让他们多少感觉有些措手不及，但学习和收获同样丰富。”童业煜说。

最终，相关论文以《用于少模光纤的超紧凑高效率硅基多模复用器》（Ultra-Compact and Efficient Integrated Multichannel Mode Multiplexer in Silicon for Few-Mode Fibers）和《使能高维光纤通信的集成光子处理器》（Empowering high-dimensional optical fiber communications with integrated photonic processors）为题，分别发在 Laser & Photonics Reviews（IF 11）[2]和 Nature Communications 上（IF 16.6）[1]。

图丨相关论文（来源：Laser & Photonics Reviews、Nature Communications ）

而在后续，“我们计划在硅基光子集成芯片技术中继续钻研，利用芯片原型方案解决光互连、光计算、光传感等领域产业应用的核心问题和关键难题。

期待能够追赶世界领先的光电集成芯片技术，更希望可以推动成果产业化，用实际价值造福社会。”童业煜表示。

参考资料：

1. Kaihang LU†, Zengqi CHEN†, Hao Chen†, Wu Zhou, Zunyue Zhang, Hon Ki Tsang, and Yeyu Tong, Empowering high-dimensional optical fiber communications with integrated photonic processors, Nature Communications, 15, 3515, 2024.

2.Wu Zhou, Zunyue Zhang, Hao Chen, Hon Ki Tsang, and Yeyu Tong, Ultra-compact and efficient integrated multichannel mode multiplexer in silicon for few-mode fibers, Laser & Photonics Reviews, 18, 2300460, 2024.

排版：罗以、刘雅坤

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