集成光子芯片高效光子頻率轉換 在各個領域都有廣泛應用

　　【儀表網 儀表產業(yè)】中國科技大學郭光燦院士團隊、鄒長鈴研究組，在集成光子芯片上實現了基于微腔簡并模式的高效光子頻率轉換，并進一步探究了微腔內的級聯非線性光學效應，實現跨波段的頻率轉換和放大。
 

　　相干光學頻率轉換在經典和量子信息領域都有廣泛的應用，如通信、探測、傳感、成像，同時也是連接光纖通信波段和各種原子的躍遷波段的工具，對分布式量子計算和量子網絡而言更是不可或缺的接口，是實現高效率光學頻率轉換和其他非線性光學效應的重要平臺。然而，在芯片上實現腔增強的頻率轉換過程，需要滿足3個或更多光學模式的相位匹配，這對于器件的設計、加工和調控提出了非常苛刻的要求。特別是在針對原子分子光譜相關的應用中，集成光子芯片的微納加工工藝帶來的誤差使得微腔的共振頻率與原子的躍遷線幾乎不可能實現匹配。
 

　　光子芯片是什么？
 

　　研究人員將磷化銦的發(fā)光屬性和硅的光路由能力整合到單一混合芯片中。當給磷化銦施加電壓的時候，光進入硅片的波導，產生持續(xù)的激光束，這種激光束可驅動其他的硅光子器件。這種基于硅片的激光技術可使光子學更廣泛地應用于計算機中，因為采用大規(guī)模硅基制造技術能夠大幅度降低成本。 英特爾認為，盡管該技術離商品化仍有很長距離，但相信未來數十個、甚至數百個混合硅激光器會和其它硅光子學部件一起，被集成到單一硅基芯片上去。這是開始低成本大批量生產高集成度硅光子芯片的標志。
 

　　光子集成技術是光纖通信前沿、有前途的領域，它是滿足未來網絡帶寬需求的好辦法。當大家還在固守著“全光通信”的思路的時候，網絡已在悄然改變。節(jié)點設備需要光電變換，通過“O-E-O”才能 將信號進行整形和放大，從而傳給計算機。光子集成技術順應了時代發(fā)展，光子集成比傳統的分立“O-E-O”處理降低了成本和復雜性，帶來的好處是以更低的成本構建一個具有更多節(jié)點的全新的網絡結構，更多的節(jié)點意味著更靈活的接入，更有效的維護和故障處理。然而光子集成芯片的制造并不是一件容易的事情。光子器件具有三維結構，比二維結構的半導體集成要復雜得多。將激光器、檢測器、調制器和其他器件都集成到芯片中，這些集成需要在不同材料(包括砷化銦鎵、磷化銦等材料)多個薄膜介質層上重復地沉積和蝕刻。磷化銦晶片在生產線上經過一種稱為光刻膠的漿狀化學物質進行包裹。紫外線光通過一個鏤空設計的模板照射到光刻膠上，產生了復雜的反應，其中一些半導體材料就粘在了晶片上，一些就被蝕刻掉了。
 

　　集成芯片又是什么？
 

　　集成芯片是現代數字集成芯片主要使用CMOS工藝制造的。CMOS器件的靜態(tài)功耗很低，但是在高速開關的情況下，CMOS器件需要電源提供瞬時功率，高速CMOS器件的動態(tài)功率要求超過同類雙極性器件。因此必須對這些器件加去耦電容以滿足瞬時功率要求。
 

　　現代集成芯片有多種封裝結構，對于分立元件，引腳越短，EMI問題越小。因為表貼器件有更小的安裝面積和更低的安裝位置，因此有更好的EMC性能，所以應選表貼元件，甚至直接在PCB上安裝裸片。
 

　　光集成芯片的市場應用
 

　　1、光纖到戶接入網方面的應用。中國是最大，發(fā)展快的電信市場之一，已建立了具有高水平的光傳輸網絡，包括10Gbps光同步數字系統(SDH)、密集波分復用系統(DWDM)、及有線電視網絡(CATV)。 “三網合一”的光纖到戶 (FTTH) 網絡系統也開始試點推廣。光纖到戶網具有無源網絡、高帶寬、承載業(yè)務種類多以及支持協議靈活四大技術優(yōu)勢，將全面淘汰ADSL。光纖到戶融合IP、光通信、數字、接入網等先進技術，其高帶寬的接入方式可為交互式網絡電視(IPTV)、視頻點播、數字電視等新型業(yè)務的普及提供高質保證。迄今，互聯網信息的傳輸是依靠光纖在城市之間和城市內部沿骨干網傳輸，從骨干網到小區(qū)和家庭的“最后一公里”和“最后一百米”，則用銅線而非光纖傳輸。銅線帶寬僅有1兆到2兆左右，而光纖的帶寬可達100兆之上。一旦實現光纖到戶，三網合一，人類的工作與生活將有難以想象的巨變。上網速度是迄今的上百倍，上網、看電影、上課、開會、下載都可以實現高清晰、高速度的即時傳輸。通信可實現視頻通話、音畫高清晰、零干擾等。有線電視網也可實現高清晰畫面以及視頻點播等交互功能。
 

　　光纖到戶技術和市場日趨成熟，業(yè)務增長迅速，在發(fā)達國家尤受重視。所以，這是一個巨大的市場，我們國家也將形成1000億元左右的光纖光纜及光接入設備市場規(guī)模，不含海外市場。每年通信運營業(yè)務收入將超過180億元，對電信企業(yè)和光纖設備商而言，無疑具開拓潛力。
 

　　2、超長距離城際網主干道方面的應用。長距離干線傳輸的全光通信廣域網逐步向著超長距、高速率、大容量、模塊化、靈活、方便、可靠的方向發(fā)展。綜合波分復用(WDM)和遙泵(ROPA)技術，能夠實現10G信號5000公里無電中繼傳送。我公司針對新一代的全光通信網開發(fā)的40信道陣列波導型(AWG)密集波分復用器(DWDM)和20信道可重構光分插復用器(ROADM)便是波分復用系統的核心元件，能夠滿足新一代長距離干線傳輸發(fā)展的要求。300-500公里超長單跨距傳輸提高了系統的長距傳輸能力，可以最大限度地節(jié)省中繼站點，降低網絡成本，提高網絡的可靠性。密集波分復用器是模塊化設計的基礎，這樣既能實現 400G>800G>1200G>1600G 系統逐步擴容，也能按波長進行平滑升級。有利于采用分期投資，按需建網的思路建設干線傳輸網絡。 可重構光分插復用器(ROADM)，可以實現遠程自動配置，任意波長可在任意節(jié)點上、下。設備在線升級、容量擴展，不中斷業(yè)務。ROADM同時實現通道的自動功率調諧和監(jiān)視。采用ROADM系統無需重新設計網絡就可以快速提供新業(yè)務，減輕網絡規(guī)劃負擔，減少了運營和維護的成本。光芯片級的平面陣列波導光珊型密集波分復用器和光芯片級多信道可調光衰減器是2款主要光芯片，目前國內尚沒有自己生產的該類光芯片，幾乎全部靠進口。
 

　　3、環(huán)形城域網方面的應用。環(huán)形網一般采用雙環(huán)結構，各節(jié)點串接于光纖環(huán)中，節(jié)點間信號的傳送是點對點接力式的， 因此網徑和容量都可做得很大，網的周長可超過200km，串接節(jié)點數達上千個，比大多數總線網大一個數量級，且光路損耗也小。雙環(huán)網可以單環(huán)運行，亦可雙環(huán)運行。單環(huán)運行時，一個環(huán)正常運行，另一個環(huán)處于熱備狀態(tài)提高系統的可靠性，此時網的容量取決于一個環(huán)，節(jié)點中也只要一套設備。雙環(huán)運行時，網的容量加倍，需二套設備同時運行。ROADM被認為是新一代城域波分網絡的標志，而動態(tài)靈活的光層，也被認為是城域網的發(fā)展方向。
 

　　4、電氣控制高頻信號傳輸方面的應用。我國正處于高速發(fā)展的過程中，工業(yè)生產中自動化程度越來越高，資源和原材料都十分緊缺或價格暴漲都嚴重制約了的發(fā)展，每年除了用于網線、有線電視線等以外，大量的控制設備中都要使用以金屬材料為核心的數據線、控制線、信號線等。因此銅等金屬資源的消耗是巨大的，這些從技術上講完全可以用光纖和光芯片來替代。簡單說，一根光纖兩端用光芯片和光電轉換的形式來實現。大量儀器設備中用于控制的傳輸線和各種類型的信號線，使得一些電氣控制柜，自動化控制臺等一經打開，都是成捆的各種傳輸線、信號線，甚至都要占據控制柜的一小半重量。如果都采用廉價的光纖來傳輸，那么我們研制的配套光芯片又將是海量的應用。這個方面很符合國家的“銅退光進”的戰(zhàn)略和產業(yè)政策。特別是一些自動化控制領域中的高頻信號，迄今往往使用的同軸電纜，原因很簡單，只要是電線都有電磁場，都會互相干擾，必須要在電線外包上屏蔽層等技術手段，但是依然不能解決損耗大的問題。
 

　　資料來源：百科、科技日報