硅光子的案例
適合中國的新賽道——硅光子！
硅光子和光電收發(fā)模塊有什么關(guān)系？
一個光電模組包含光接收器、放大器、調(diào)變器等許多組件，過去這些組件都是個別、零散地放在PCB板上，但為了提升功耗、增加信號傳輸速度，這些組件改成全整合到單一硅芯片上。
在硅平臺上的光電信號轉(zhuǎn)換，都能算在硅光子技術(shù)范疇，過程中需克服的面向也不同。也因此，為了讓讀者更好理解，我們會以硅光子發(fā)展至今的每個階段，作為分享的主軸。
集成電路下一步集成“光”路：硅光子三部曲
硅光子第一階段：從傳統(tǒng)插拔式模塊升級
硅光子已默默耕耘20多年，傳統(tǒng)的硅光子插拔式外型非常像USB接口，外接兩條光纖，分別傳輸進(jìn)去和出去的光; 但插拔式模塊的電信號進(jìn)入交換器前，必須走一大段路（如下圖 b），在高速運(yùn)算損失又多（大），所以為了減少電損失，硅光元件改到接近服務(wù)器交換器外圍的位置，縮短電流通的距離，而原本的插拔式模組只剩下光纖。
而上述這個作法，正是目前業(yè)界積極發(fā)展的「共封裝光學(xué)模組」（CPO，Co-Packaged Optics）技術(shù)。主要是將電子集成電路（EIC）和光子集成電路（PIC）共同裝配在同一個載板，形成芯片和模組的共同封裝（即下圖 d 的 CPO 光引擎），以取代光電收發(fā)模組，使光引擎更接近 CPU/GPU（即下圖 d 芯片），縮減電傳輸路徑、減少傳輸耗損及信號延遲。
據(jù)了解，這項技術(shù)能降低成本，數(shù)據(jù)量傳輸提升8倍，提供30倍以上的算力并節(jié)省50%功耗。但目前芯片組的整合仍處于現(xiàn)在進(jìn)行式，如何精進(jìn)CPO技術(shù)，成為硅光子發(fā)展的下一個重要步驟。
解決 CPO 瓶頸然后呢？硅光子第二階段：解決CPU/GPU 對傳問題
目前硅光子主要在解決插拔式模塊的信號延遲之挑戰(zhàn)，隨著技術(shù)發(fā)展，下一階段將會是解決CPU和GPU傳輸?shù)碾娦盘枂栴}。
展開 硅光子技術(shù)原理介紹
硅光子技術(shù)原理介紹
硅光子技術(shù)即在硅晶圓上實現(xiàn)光傳輸，用激光束代替電子信號傳輸數(shù)據(jù)，是一種基于硅光子學(xué)的低成本、高速率的光通信技術(shù)。硅光子技術(shù)的實用化和研發(fā)的推進(jìn)改速度都超過了預(yù)期，其中，進(jìn)展尤為快速的當(dāng)屬日本。
光子學(xué)使用的材料是玻璃，光器件是基于玻璃上制作的，這與硅有所不同。由于光的波長對硅而言是透明的，如果信息完全基于硅的基礎(chǔ)上的話，就不能做光接收器，這是硅材料的本質(zhì)不足，尤其是光源方面，所以硅材料不適合做激光器。但是硅光子技術(shù)的應(yīng)用范圍可以從電路板間的數(shù)據(jù)傳輸擴(kuò)大到芯片內(nèi)的傳輸，并且未來硅光子技術(shù)的應(yīng)用范圍有望擴(kuò)大到芯片間和芯片內(nèi)的傳輸，預(yù)計這方面的應(yīng)用將在2020年左右實現(xiàn)實用化。
有專家表示，硅光子技術(shù)是一個原理性的技術(shù)，人們可以透過這個窗口看到以前沒有看到過的東西。如果作為獨(dú)立元件的話，它的優(yōu)勢在于獨(dú)立波長，這不像其他傳統(tǒng)的激光器，傳統(tǒng)的激光器會產(chǎn)生紅光、綠光，而基于硅光子的獨(dú)立元件能產(chǎn)生傳統(tǒng)激光器產(chǎn)生不了的光。
來源：中國電力電子產(chǎn)業(yè)網(wǎng)
展開 硅光子技術(shù)應(yīng)用的分析
硅光子技術(shù)應(yīng)用的分析
調(diào)查公司Global Information發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2011年有源光纜(AOC)的全球銷量為30.5萬根，銷售額為7000萬美元。并且還預(yù)測，2016年的銷量將達(dá)到78.6萬根，銷售額將擴(kuò)大到1.75億美元。之所所硅光子在AOC光收發(fā)器領(lǐng)域取得很好的成績，是因為可以通過量產(chǎn)大幅降低成本，而此前的AOC采用的是基于化合物半導(dǎo)體的分立元件，價格相對比較高。
傳統(tǒng)光通信模塊是將三五族半導(dǎo)體芯片、高速電路硅芯片、無源光器件及光纖封裝而成，其中的成本主要來自三五族半導(dǎo)體芯片及系統(tǒng)封裝。雖然其傳輸速度可達(dá)40Gbit/s以上，但是比起使用電纜傳輸而言，價格卻昂貴得多，因此近年來，高速硅光電組件變成一項相當(dāng)炙手可熱的題材，主要研究目的就是希望借由芯片量產(chǎn)技術(shù)降低芯片生產(chǎn)成本、提升良率，另一方面，可以縮小硅光電、光學(xué)組件的尺寸，進(jìn)一步和后端電路整合在一起，以降低封裝成本。
總體而言，采用硅光子技術(shù)的最大特點(diǎn)就是成本低、速度快。當(dāng)然，硅光子若進(jìn)一步發(fā)展還存在兩大難題。一是，使光元件和光收發(fā)器大幅實現(xiàn)小型化和低耗電量化的方法。另一個是，進(jìn)一步實現(xiàn)大容量化的王牌——密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)的利用。
如今的光子晶體未采用硅基，因為很難采用硅基以高效率制作有源器件。不過，結(jié)合發(fā)光的鍺和硅等技術(shù)的話，就有可能實現(xiàn)硅基光子晶體。
另一方面，高速硅光子光傳輸可能需要DWDM。該技術(shù)早在15年前就已普遍用于長距離通信用設(shè)備等，但用于硅光子則非常難。其中一個原因是，各個光元件發(fā)出的光的波長以及通過波導(dǎo)的光的波長因溫度變化存在巨大偏差。將長距離通信設(shè)備使用的溫度控制功能用于硅光子技術(shù)的成本過高，不現(xiàn)實。
展開 Ansys與GF合作交付新一代硅光子解決方案，開啟數(shù)據(jù)中心新時代
Ansys攜手GlobalFoundries（GF）推出業(yè)界首款硅光子解決方案，以應(yīng)對數(shù)據(jù)量的爆發(fā)式增長，同時顯著降低功耗
主要亮點(diǎn)
GF Fotonix?平臺在業(yè)界率先將優(yōu)異的300mm光子技術(shù)與RF-CMOS技術(shù)集成在同一個硅晶圓上，實現(xiàn)規(guī)模化的超高性能。
Ansys與GF合作推出解決方案，助力增強(qiáng)數(shù)據(jù)中心、光網(wǎng)絡(luò)、超級計算、光纖、5G連接、航空航天與國防應(yīng)用的光子設(shè)計能力。
針對采用Ansys行業(yè)領(lǐng)先的光子仿真工具的定制組件設(shè)計，Ansys和GF推出了創(chuàng)新性硅光子（SiPh）芯片設(shè)計工作流程。
由于能夠?qū)Σ捎肰erilog-A建模的光子集成電路進(jìn)行仿真，因此Ansys可支持GF Fotonix平臺，支持范圍包括結(jié)合定制組件與代工廠庫組件采用先進(jìn)節(jié)點(diǎn)半導(dǎo)體技術(shù)的計算芯片的設(shè)計。
展開 
Ansys與GF合作交付新一代硅光子解決方案，開啟數(shù)據(jù)中心新時代
Ansys攜手GlobalFoundries（GF）推出業(yè)界首款硅光子解決方案，以應(yīng)對數(shù)據(jù)量的爆發(fā)式增長，同時顯著降低功耗
主要亮點(diǎn)
GF Fotonix?平臺在業(yè)界率先將優(yōu)異的300mm光子技術(shù)與RF-CMOS技術(shù)集成在同一個硅晶圓上，實現(xiàn)規(guī)模化的超高性能。
Ansys與GF合作推出解決方案，助力增強(qiáng)數(shù)據(jù)中心、光網(wǎng)絡(luò)、超級計算、光纖、5G連接、航空航天與國防應(yīng)用的光子設(shè)計能力。
針對采用Ansys行業(yè)領(lǐng)先的光子仿真工具的定制組件設(shè)計，Ansys和GF推出了創(chuàng)新性硅光子（SiPh）芯片設(shè)計工作流程。
由于能夠?qū)Σ捎肰erilog-A建模的光子集成電路進(jìn)行仿真，因此Ansys可支持GF Fotonix平臺，支持范圍包括結(jié)合定制組件與代工廠庫組件采用先進(jìn)節(jié)點(diǎn)半導(dǎo)體技術(shù)的計算芯片的設(shè)計。
Ansys宣布與GlobalFoundries（GF）合作，交付獨(dú)特且功能豐富的創(chuàng)新型解決方案，以解決當(dāng)前數(shù)據(jù)中心面臨的一些巨大挑戰(zhàn)。
隨著數(shù)據(jù)以前所未有的速度生成，全球各地數(shù)據(jù)中心的功耗也隨之激增，這導(dǎo)致人們更迫切地需要既能加快數(shù)據(jù)傳輸，同時又能優(yōu)化能效的創(chuàng)新型解決方案。為滿足這種不斷增長的需求，GF著力開發(fā)突破性的半導(dǎo)體解決方案，利用光子而非電子的優(yōu)勢來傳輸和移動數(shù)據(jù)，有助于GF在快速發(fā)展的光網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位。
GF Fotonix是GF在多方面均取得突破性進(jìn)展的新一代單片平臺，在業(yè)界率先將優(yōu)異的300mm光子技術(shù)與RF-CMOS技術(shù)集成在同一硅晶圓上，實現(xiàn)了規(guī)模化的超高性能。
展開 Ansys與GF合作交付新一代硅光子解決方案，開啟數(shù)據(jù)中心新時代
Ansys攜手GlobalFoundries（GF）推出業(yè)界首款硅光子解決方案，以應(yīng)對數(shù)據(jù)量的爆發(fā)式增長，同時顯著降低功耗
主要亮點(diǎn)
GF Fotonix?平臺在業(yè)界率先將優(yōu)異的300mm光子技術(shù)與RF-CMOS技術(shù)集成在同一個硅晶圓上，實現(xiàn)規(guī)模化的超高性能。
Ansys與GF合作推出解決方案，助力增強(qiáng)數(shù)據(jù)中心、光網(wǎng)絡(luò)、超級計算、光纖、5G連接、航空航天與國防應(yīng)用的光子設(shè)計能力。
針對采用Ansys行業(yè)領(lǐng)先的光子仿真工具的定制組件設(shè)計，Ansys和GF推出了創(chuàng)新性硅光子（SiPh）芯片設(shè)計工作流程。
由于能夠?qū)Σ捎肰erilog-A建模的光子集成電路進(jìn)行仿真，因此Ansys可支持GF Fotonix平臺，支持范圍包括結(jié)合定制組件與代工廠庫組件采用先進(jìn)節(jié)點(diǎn)半導(dǎo)體技術(shù)的計算芯片的設(shè)計。
展開 寫在硅光技術(shù)爆發(fā)前夜
隨著摩爾定律逐漸變緩，硅光技術(shù)是延續(xù)摩爾定律的發(fā)展方向之一。
當(dāng)格芯推出硅光代工平臺，誓要成為領(lǐng)先硅光子代工廠；長電科技預(yù)測硅光封裝成為未來趨勢之時，這項早在上世紀(jì)提出的技術(shù)，正悄悄改變著半導(dǎo)體行業(yè)。
云時代帶來的海量數(shù)據(jù)、逼近極限需要解決的節(jié)點(diǎn)間隙，這些可以通過光子解決的問題，正一步一步推動著硅光子前行。
硅光技術(shù)正在爆發(fā)前夜。
硅光子已成為未來趨勢
早在上個世紀(jì)90年代，IT從業(yè)者就開始為傳統(tǒng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)尋找繼任者，光子技術(shù)一度被認(rèn)為是最有希望的技術(shù)。
硅光是以硅光子學(xué)為基礎(chǔ)的低成本、高速的光通信技術(shù)，利用基于硅材料的CMOS微電子工藝實現(xiàn)光子器件的集成制備，融合了CMOS技術(shù)的超大規(guī)模邏輯、超高精度制造的特性以及光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢，把原本分離器件眾多的光、電元件縮小集成到一個獨(dú)立微芯片中，實現(xiàn)高集成度、低成本、高速光傳輸。
硅光技術(shù)的發(fā)展可以分為三個階段。第一，硅基器件逐步取代分立元器件，即用硅把光通信底層器件做出來，達(dá)到工藝的標(biāo)準(zhǔn)化；第二，集成技術(shù)從耦合集成向單片集成演進(jìn)，實現(xiàn)部分集成，再把這些器件像樂高積木一樣，通過不同器件的組合，集成不同的芯片；第三，光電一體技術(shù)融合，實現(xiàn)光電全集成化。把光和電都集成起來，實現(xiàn)更加復(fù)雜的功能。
目前硅光技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了第二個階段。
在制造工藝上，光子芯片和電子芯片雖然在流程和復(fù)雜程度上相似，但光子芯片對結(jié)構(gòu)的要求不像電子芯片那樣嚴(yán)苛，一般是百納米級。這大大降低了對先進(jìn)工藝的依賴，在一定程度上緩解了當(dāng)前芯片發(fā)展的瓶頸問題。
展開 硅光子學(xué)的“最后一米”難題
為何這一架構(gòu)可幫助光子技術(shù)取得突破呢？因為新一代高效、廉價、速度可達(dá)每秒太比特的光開關(guān)技術(shù)剛好可以實現(xiàn)那種動態(tài)資源配置和可重構(gòu)性。
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這種數(shù)據(jù)中心重建方式的主要障礙是器件的價格以及生產(chǎn)成本。硅光子技術(shù)已經(jīng)具備一項成本優(yōu)勢，即可利用現(xiàn)成的芯片生產(chǎn)線，利用硅的龐大基礎(chǔ)設(shè)施及可靠性。但硅與光的結(jié)合并非完美：硅發(fā)射光的效率低，硅的光損耗也很嚴(yán)重。通過對光輸入和輸出進(jìn)行測量，一個標(biāo)準(zhǔn)的硅光子收發(fā)器至少會產(chǎn)生10分貝（90%）的光損耗。但這種低效率并不影響TOR交換機(jī)之間的短距離連接，因為至少在目前，硅潛在的低成本優(yōu)勢勝過了存在的問題。
硅光模塊的一項主要成本源自不起眼卻又十分重要的光連接器。光連接不僅包括光纖與接送裝置芯片之間的連接，還包括光纖之間的連接。每年必須生產(chǎn)數(shù)億個極高精度的光纖連接器才能滿足需求。具體精度有多高呢？用于光連接器的單模硅玻璃纖維直徑為125微米，略大于一根頭發(fā)的直徑。而連接器中這種單模光纖必須達(dá)到的精確度是100納米，僅為一根頭發(fā)直徑的1/1000，否則信號就會被大大削弱。光纖之間以及光纖與收發(fā)器之間光連接器的生產(chǎn)方式仍需進(jìn)一步創(chuàng)新，以滿足客戶對精確度與低成本的需求。但是，幾乎沒有生產(chǎn)技術(shù)能夠滿足這種物美價廉的需求。
降低成本的方式之一當(dāng)然是降低光學(xué)模塊中芯片的價格。生產(chǎn)芯片的方法有許多種，一種稱為硅片集成（wafer-scale lntegration）的技術(shù)有助于降低成本。硅片集成技術(shù)是在一個硅片上制造光子，在另一個硅片上制造電子，然后將兩個硅片粘在一起。隨后，將成對的硅片切成芯片，再制造成幾乎完整的模塊。（由非硅半導(dǎo)體制作的激光器保持單獨(dú)放置。）這個方法可以做到組裝與生產(chǎn)并行，從而降低成本。
降低成本的另一個因素當(dāng)然是生產(chǎn)規(guī)模。
展開 光學(xué)及硅光子仿真推動汽車行業(yè)的技術(shù)發(fā)展
業(yè)內(nèi)已經(jīng)采用固態(tài)技術(shù)作為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的第一步，但越來越多的長期解決方案傾向于使用硅光子技術(shù)和共封裝光學(xué)。其中一個例子是英特爾旗下自動駕駛子公司Mobileye，該公司將使用光子集成電路（PIC, photonic integrated circuits）為新一代激光雷達(dá)傳感器提供動力，并預(yù)計在2025年之前將這些傳感器部署完成。其他激光雷達(dá)公司如果還沒有采取這樣的措施，預(yù)計也很快就會開始行動。
行業(yè)逐漸意識到，對激光雷達(dá)的定位即將從“前景和可能性”轉(zhuǎn)向“全面生產(chǎn)和部署”，但仍然存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)需要克服，仿真是了解這些挑戰(zhàn)并尋找其解決方案的關(guān)鍵。最近，我與TKL Engineering的Thomas Kümpfel以及Ansys Optics的產(chǎn)品負(fù)責(zé)人Julien Muller和James Pond共同主持了一個圓桌會議。在此期間，我們討論了汽車行業(yè)近期的創(chuàng)新技術(shù)以及仿真在推動這些創(chuàng)新技術(shù)方面發(fā)揮的作用。激光雷達(dá)系統(tǒng)的微型化是幾個熱門話題之一，同時我們一致認(rèn)為，從PIC級到系統(tǒng)級為這些系統(tǒng)建模的能力對于工程師創(chuàng)建魯棒性和可擴(kuò)展設(shè)計至關(guān)重要。如今我們已得益于此類仿真功能，這也是整個汽車行業(yè)對自動駕駛汽車的未來持樂觀態(tài)度的眾多原因之一。
隨著我們逐步邁向完全自動駕駛，“互聯(lián)性”是其關(guān)鍵要素之一，即道路上的每輛汽車都需要了解其他車輛的情況。這種實時通信網(wǎng)絡(luò)將需要構(gòu)建云端高帶寬基礎(chǔ)架構(gòu)，而這些需要高性能數(shù)據(jù)中心為其提供支持。因此，即使對于新興的自動駕駛技術(shù)，集成光子學(xué)和CPO在數(shù)據(jù)中心的作用也是至關(guān)重要的。
我們正處于光學(xué)行業(yè)高速發(fā)展時期，重大變革可能將發(fā)生，以推動包括汽車在內(nèi)的各類市場的新一代技術(shù)進(jìn)步。
展開 市場 | 一文看懂硅基光電集成技術(shù)
硅由于本身材料低廉且在半導(dǎo)體工藝中已實現(xiàn)成熟應(yīng)用，半導(dǎo)體巨頭紛紛探索硅光子的可能性。
硅材料由于發(fā)光效率低等原因，在光通信領(lǐng)域受到了一定的限制。如，目前難以實現(xiàn)單片硅光集成，而是需要以硅為襯底，外接激光器，實現(xiàn)混合集成。硅基光混合集成 （OEIC）可以說是過渡方案，但是在目前理論為突破前提下的可落地方案。當(dāng)前，業(yè)界對于硅基激光器的研究已實現(xiàn)了一定突破，未來有望實現(xiàn)單片集成的全光芯片。
InP單片光子集成已有多年的發(fā)展歷史，目前已實現(xiàn)大規(guī)模集成的應(yīng)用突破。硅基光子集成技術(shù)研究歷史較短，但研究力量和關(guān)注度極高，目前已有小批量落地產(chǎn)品。Infinera是大規(guī)模InP PIC技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者；Intel、Luxtera等致力于硅基光子集成的研究，對推動產(chǎn)業(yè)應(yīng)用做了大量貢獻(xiàn)。
硅光子除了在通信電子領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景，在光伏能源、自動控制、航空航天中均有重要作用。
硅光集成（OEIC）--光模塊成為可見的落地應(yīng)用
硅基光電集成（OEIC），即在硅的襯底上，實現(xiàn)光子的傳輸。其分為單片集成和混合集成。目前，光波復(fù)用/解復(fù)用、光波長調(diào)諧和變換等器件已可實現(xiàn)單芯片集成，而光模塊需要混合集成。雖然混合集成是過渡方案，但使得硅光技術(shù)在光模塊領(lǐng)域有了落地的應(yīng)用。
展開 你不一定知道的格芯！
他們的完全耗盡絕緣體上硅和硅上氮化鎵技術(shù)處于高效和高性能無線電技術(shù)的前沿，能夠推動更高的性能并承受更高的熱量和功率要求。他們的硅光子技術(shù)是范式轉(zhuǎn)變的開始，將計算機(jī)和有線通信的核心元素從電子改為光子。他們的 3D 和異構(gòu)集成專業(yè)知識允許將常規(guī)邏輯、低功耗 FDX、無線電優(yōu)化、光子學(xué)、InP 和 SiN 技術(shù)的組合集成到一個創(chuàng)新解決方案中，該解決方案利用最佳技術(shù)滿足應(yīng)用需求。
由于這項先進(jìn)技術(shù)，Global Foundries 是一家領(lǐng)先的代工廠，擊敗了臺積電、英特爾和三星等其他公司。
偏振分集光柵耦合器實現(xiàn)光纖與芯片的高效互聯(lián)
在光通信、數(shù)據(jù)中心和人工智能等領(lǐng)域，硅光子技術(shù)憑借其高集成度、低成本和CMOS工藝兼容性，正成為下一代光互聯(lián)的核心驅(qū)動力。然而，光纖與硅光子芯片的高效耦合一直是技術(shù)難點(diǎn)——尤其是如何在實現(xiàn)高效率的同時兼容偏振分集。近日，一項發(fā)表在《IEEE PHOTONICS JOURNAL》的研究提出了一種基于多極輻射模式增強(qiáng)的雙層二維光柵耦合器 ，為硅光子器件的規(guī)模化應(yīng)用提供了新思路。本文將從技術(shù)背景、設(shè)計原理、實驗結(jié)果展開解析。
光纖-芯片耦合的挑戰(zhàn)與機(jī)遇
硅光子技術(shù)的核心優(yōu)勢在于其高折射率對比度，可實現(xiàn)超緊湊的光學(xué)器件。然而，光纖（模式直徑約10 μm）與硅波導(dǎo)（亞微米尺寸）之間的模式尺寸差異巨大，導(dǎo)致耦合效率低下。
傳統(tǒng)解決方案的局限：
邊緣耦合器：需高精度切割芯片端面，成本高且難以規(guī)模化；一維光柵耦合器：雖支持晶圓級測試，但僅對特定偏振光高效，實際應(yīng)用中光的偏振態(tài)復(fù)雜多變，導(dǎo)致性能波動；二維光柵耦合器：理論上可實現(xiàn)偏振分集（將任意偏振光分解為兩個正交模式），但效率受限于工藝—主流 220 nm SOI 平臺與 193 nm 光刻技術(shù)下，如何平衡結(jié)構(gòu)復(fù)雜度與耦合效率成為關(guān)鍵。
此前研究 雖通過加厚硅層或復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)提升效率，但特征尺寸或工藝兼容性不足。而本篇文章通過雙層級介質(zhì)結(jié)構(gòu)（70 nm淺刻蝕孔陣列+160 nm多晶硅齒陣列）激發(fā)多極輻射模式，在保證工藝兼容性的同時顯著提升方向性與耦合效率，為硅光子芯片的商用化鋪平道路。
圖1 完全垂直二維光柵耦合器示意圖
多極輻射模式與雙層級設(shè)計
1.多極輻射模式：從電偶極子到磁四極子
光柵耦合器的效率取決于其將光能定向輻射至光纖的能力，即“方向性”。傳統(tǒng)設(shè)計主要依賴電偶極子輻射，但方向性有限。
展開 Lumerical系列| 一種高效多模耦合/（解）復(fù)用的新方案
本期文章將介紹一種通過引入硅平面光波電路（PLC）作為中間體來實現(xiàn)高效多模耦合的新方案。其核心思想是通過利用石英光波導(dǎo)操縱LP模式的優(yōu)勢來耦合和解復(fù)用高階模式，解復(fù)用后的模式以單模方式與硅光子芯片對接耦合，從而可直接完成進(jìn)一步的數(shù)據(jù)發(fā)送/接收/路由。
引言
要實現(xiàn)片上高效多模耦合器，如在一個少模光纖（FMF）中同時發(fā)射六個模式信道（LP01-x/y、LP11a-x/y和LP11b-x/y），目前是一個很大的挑戰(zhàn)，其主要障礙在于FMF和亞微米級硅光波導(dǎo)之間的巨大模式失配。本期文章將介紹一種新型硅光芯片和FMF之間實現(xiàn)高效多模耦合的方案[1]，該方案通過引入PLC作為中間體來實現(xiàn)，F(xiàn)MF中的每個模式信道被有效地耦合/解復(fù)用為硅光波導(dǎo)中的相應(yīng)TE0或TM0模式，所述硅光子波導(dǎo)可以與芯片上的任何其他光子器件連接，諸如波長濾波器、光調(diào)制器或光電探測器，以實現(xiàn)光發(fā)射器/接收器。提出的多模耦合概念對下一代MDM系統(tǒng)的發(fā)展具有很大的前景。
工作原理
該方案包括一個使用多模波導(dǎo)段（MWSs）的端面耦合器，一個三通道雙偏振PLC模式（解）復(fù)用器，雙電平多核雙偏振模斑轉(zhuǎn)換器（SSC）和PBS，其示意圖如圖1所示。從FMF發(fā)射的LP01-x/y、LP11a-x/y和LP11b-x/y模式經(jīng)由MWSs有效地對接耦合到多模二氧化硅光波導(dǎo)。然后，基于PLC的偏振不敏感模式（解）復(fù)用器被用于將這三個導(dǎo)模解復(fù)用為三個單模石英光波導(dǎo)中支持的LP01-x/y模式。然后，這些LP01-x/y模式通過SSC對接耦合到相應(yīng)硅光子波導(dǎo)中的TE0/TM0模式。最后，在硅片上用三個PBSs分離TE0/TM0模式。
展開 【Lumerical系列】一種高效多模耦合/（解）復(fù)用的新方案
</p><p class="ql-align-center">（a）結(jié)構(gòu)示意圖；（b）LP11b入射的光場圖；（c）LP01入射的光場圖</p><p><br></p><p><strong>偏振不敏感\(zhòng)硅基模斑轉(zhuǎn)換器</strong></p><p>為了實現(xiàn)石英光波導(dǎo)中的導(dǎo)模與硅光子波導(dǎo)中的TE0/TM0模之間的有效耦合，提出了一種雙能級多芯偏振不敏感SSC，如圖6所示。首先將條形硅光子波導(dǎo)演化為具有絕熱錐度的三芯波導(dǎo)，然后將三芯波導(dǎo)的三個芯逐漸分離，以實現(xiàn)與硅光波導(dǎo)中模式的最大空間重疊。特別地，在SSC的每個芯的端部處引入角度蝕刻的雙層錐形，這有效地削弱了垂直方向上的模式限制，大大提高了TE0和TM0模式的耦合效率。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202604/imgs/5cf05b640d6d4bafac182d3144074061"></p><p class="ql-align-center">圖6 SSC結(jié)構(gòu)示意圖</p><p><br></p><p><strong>總結(jié)與展望</strong></p><p>該多模耦合方案為實現(xiàn)有效的模式耦合/解復(fù)用以連接FMF和硅光子芯片提供了一種有希望的選擇。為了在MDM系統(tǒng)中進(jìn)一步采用，可以引入MIMO DSP方法以降低由于傳輸中的模間串?dāng)_而引起的負(fù)面影響。另外，該方案綜合了石英光波導(dǎo)對LP模式的控制以及硅光波導(dǎo)對偏振處理的優(yōu)點(diǎn)，為雙偏振多模信道的光纖-芯片耦合提供了一種有效的解決方案。通過引入具有更多模式信道的PLC模式（解）復(fù)用器，可以按比例增加模式信道數(shù)量。因此，所提出的具有模式（解）復(fù)用/耦合的光子芯片為MDM系統(tǒng)所期望的芯片-FMF連接提供了有希望的選擇。預(yù)計它還將擴(kuò)展到基于其他材料（如鈮酸鋰、氮化硅和硫?qū)倩铮┑?em>光子芯片。
展開 新研究！布里淵激光器可放大光線
據(jù)外媒報道，北亞利桑那大學(xué)助理教授Ryan Behunin與來自耶魯大學(xué)和德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的物理學(xué)家合作，共同發(fā)現(xiàn)了一種操縱硅材料中光線的創(chuàng)新方法。
正如發(fā)表在頂級期刊Science上的文章所描述的，展示的這種新型激光器，可以在硅芯片中用聲波放大光線。該團(tuán)隊的研究代表了硅光子學(xué)領(lǐng)域的重大進(jìn)步。
幾十年來，實現(xiàn)硅光子學(xué)的全部潛力這一難題一直困擾著眾多科學(xué)家。由于該元件的固有特性，在硅中產(chǎn)生激光非常困難，而這是硅光子學(xué)的一個關(guān)鍵因素。通過上述發(fā)現(xiàn)，研發(fā)團(tuán)隊已經(jīng)朝著解決這個問題邁出了一大步。
Behunin表示：“我們在硅材料中演示了一種新型激光器-布里淵（Brillouin）激光器。”該項目極大地擴(kuò)展了光在硅片中的操作和控制方式。該激光器是以法國物理學(xué)家布里淵（LéonBrillouin）的名字命名的，而光聲散射效應(yīng)也是以他的名字命名。通過設(shè)計新的專用波導(dǎo)，該團(tuán)隊研發(fā)的布里淵（Brillouin）激光器能利用聲音來放大光線。
因為該激光器的獨(dú)特屬性，其應(yīng)用范圍包括計時以及編碼和解碼信息的新方案等。除了發(fā)光之外，布里淵激光器還可以產(chǎn)生純粹的聲波。發(fā)射的光可以用來為“光子電路”供電，而產(chǎn)生的聲波則可以實現(xiàn)非常復(fù)雜的精密測量， 所有這些功能都可以在一個小芯片上實現(xiàn)。
Behunin指出：“我們的工作目前還處于初步階段。我們可以通過硅片創(chuàng)建一系列激光設(shè)計應(yīng)用，每個激光設(shè)計都具有為特定應(yīng)用定制的獨(dú)特屬性。”
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