【儀表網(wǎng) 儀表產(chǎn)業(yè)】中國(guó)科技大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)、鄒長(zhǎng)鈴研究組，在集成光子芯片上實(shí)現(xiàn)了基于微腔簡(jiǎn)并模式的高效光子頻率轉(zhuǎn)換，并進(jìn)一步探究了微腔內(nèi)的級(jí)聯(lián)非線性光學(xué)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)跨波段的頻率轉(zhuǎn)換和放大。
 

　　相干光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換在經(jīng)典和量子信息領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，如通信、探測(cè)、傳感、成像，同時(shí)也是連接光纖通信波段和各種原子的躍遷波段的工具，對(duì)分布式量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)而言更是不可或缺的接口，是實(shí)現(xiàn)高效率光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換和其他非線性光學(xué)效應(yīng)的重要平臺(tái)。然而，在芯片上實(shí)現(xiàn)腔增強(qiáng)的頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程，需要滿足3個(gè)或更多光學(xué)模式的相位匹配，這對(duì)于器件的設(shè)計(jì)、加工和調(diào)控提出了非?？量痰囊蟆Ｌ貏e是在針對(duì)原子分子光譜相關(guān)的應(yīng)用中，集成光子芯片的微納加工工藝帶來(lái)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(shí)現(xiàn)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(dāng)給磷化銦施加電壓的時(shí)候，光進(jìn)入硅片的波導(dǎo)，產(chǎn)生持續(xù)的激光束，這種激光束可驅(qū)動(dòng)其他的硅光子器件。這種基于硅片的激光技術(shù)可使光子學(xué)更廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)中，因?yàn)椴捎么笠?guī)模硅基制造技術(shù)能夠大幅度降低成本。 英特爾認(rèn)為，盡管該技術(shù)離商品化仍有很長(zhǎng)距離，但相信未來(lái)數(shù)十個(gè)、甚至數(shù)百個(gè)混合硅激光器會(huì)和其它硅光子學(xué)部件一起，被集成到單一硅基芯片上去。這是開(kāi)始低成本大批量生產(chǎn)高集成度硅光子芯片的標(biāo)志。
 

　　光子集成技術(shù)是光纖通信前沿、有前途的領(lǐng)域，它是滿足未來(lái)網(wǎng)絡(luò)帶寬需求的好辦法。當(dāng)大家還在固守著“全光通信”的思路的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)已在悄然改變。節(jié)點(diǎn)設(shè)備需要光電變換，通過(guò)“O-E-O”才能 將信號(hào)進(jìn)行整形和放大，從而傳給計(jì)算機(jī)。光子集成技術(shù)順應(yīng)了時(shí)代發(fā)展，光子集成比傳統(tǒng)的分立“O-E-O”處理降低了成本和復(fù)雜性，帶來(lái)的好處是以更低的成本構(gòu)建一個(gè)具有更多節(jié)點(diǎn)的全新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，更多的節(jié)點(diǎn)意味著更靈活的接入，更有效的維護(hù)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(jié)構(gòu)，比二維結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體集成要復(fù)雜得多。將激光器、檢測(cè)器、調(diào)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(gè)薄膜介質(zhì)層上重復(fù)地沉積和蝕刻。磷化銦晶片在生產(chǎn)線上經(jīng)過(guò)一種稱為光刻膠的漿狀化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行包裹。紫外線光通過(guò)一個(gè)鏤空設(shè)計(jì)的模板照射到光刻膠上，產(chǎn)生了復(fù)雜的反應(yīng)，其中一些半導(dǎo)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(xiàn)代數(shù)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(kāi)關(guān)的情況下，CMOS器件需要電源提供瞬時(shí)功率，高速CMOS器件的動(dòng)態(tài)功率要求超過(guò)同類雙極性器件。因此必須對(duì)這些器件加去耦電容以滿足瞬時(shí)功率要求。
 

　　現(xiàn)代集成芯片有多種封裝結(jié)構(gòu)，對(duì)于分立元件，引腳越短，EMI問(wèn)題越小。因?yàn)楸碣N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(yīng)選表貼元件，甚至直接在PCB上安裝裸片。
 

　　光集成芯片的市場(chǎng)應(yīng)用
 

　　1、光纖到戶接入網(wǎng)方面的應(yīng)用。中國(guó)是最大，發(fā)展快的電信市場(chǎng)之一，已建立了具有高水平的光傳輸網(wǎng)絡(luò)，包括10Gbps光同步數(shù)字系統(tǒng)(SDH)、密集波分復(fù)用系統(tǒng)(DWDM)、及有線電視網(wǎng)絡(luò)(CATV)。 “三網(wǎng)合一”的光纖到戶 (FTTH) 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也開(kāi)始試點(diǎn)推廣。光纖到戶網(wǎng)具有無(wú)源網(wǎng)絡(luò)、高帶寬、承載業(yè)務(wù)種類多以及支持協(xié)議靈活四大技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將全面淘汰ADSL。光纖到戶融合IP、光通信、數(shù)字、接入網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)，其高帶寬的接入方式可為交互式網(wǎng)絡(luò)電視(IPTV)、視頻點(diǎn)播、數(shù)字電視等新型業(yè)務(wù)的普及提供高質(zhì)保證。迄今，互聯(lián)網(wǎng)信息的傳輸是依靠光纖在城市之間和城市內(nèi)部沿骨干網(wǎng)傳輸，從骨干網(wǎng)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(dá)100兆之上。一旦實(shí)現(xiàn)光纖到戶，三網(wǎng)合一，人類的工作與生活將有難以想象的巨變。上網(wǎng)速度是迄今的上百倍，上網(wǎng)、看電影、上課、開(kāi)會(huì)、下載都可以實(shí)現(xiàn)高清晰、高速度的即時(shí)傳輸。通信可實(shí)現(xiàn)視頻通話、音畫(huà)高清晰、零干擾等。有線電視網(wǎng)也可實(shí)現(xiàn)高清晰畫(huà)面以及視頻點(diǎn)播等交互功能。
 

　　光纖到戶技術(shù)和市場(chǎng)日趨成熟，業(yè)務(wù)增長(zhǎng)迅速，在發(fā)達(dá)國(guó)家尤受重視。所以，這是一個(gè)巨大的市場(chǎng)，我們國(guó)家也將形成1000億元左右的光纖光纜及光接入設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模，不含海外市場(chǎng)。每年通信運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)收入將超過(guò)180億元，對(duì)電信企業(yè)和光纖設(shè)備商而言，無(wú)疑具開(kāi)拓潛力。
 

　　2、超長(zhǎng)距離城際網(wǎng)主干道方面的應(yīng)用。長(zhǎng)距離干線傳輸?shù)娜馔ㄐ艔V域網(wǎng)逐步向著超長(zhǎng)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(fù)用(WDM)和遙泵(ROPA)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)10G信號(hào)5000公里無(wú)電中繼傳送。我公司針對(duì)新一代的全光通信網(wǎng)開(kāi)發(fā)的40信道陣列波導(dǎo)型(AWG)密集波分復(fù)用器(DWDM)和20信道可重構(gòu)光分插復(fù)用器(ROADM)便是波分復(fù)用系統(tǒng)的核心元件，能夠滿足新一代長(zhǎng)距離干線傳輸發(fā)展的要求。300-500公里超長(zhǎng)單跨距傳輸提高了系統(tǒng)的長(zhǎng)距傳輸能力，可以最大限度地節(jié)省中繼站點(diǎn)，降低網(wǎng)絡(luò)成本，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。密集波分復(fù)用器是模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，這樣既能實(shí)現(xiàn) 400G>800G>1200G>1600G 系統(tǒng)逐步擴(kuò)容，也能按波長(zhǎng)進(jìn)行平滑升級(jí)。有利于采用分期投資，按需建網(wǎng)的思路建設(shè)干線傳輸網(wǎng)絡(luò)。 可重構(gòu)光分插復(fù)用器(ROADM)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)配置，任意波長(zhǎng)可在任意節(jié)點(diǎn)上、下。設(shè)備在線升級(jí)、容量擴(kuò)展，不中斷業(yè)務(wù)。ROADM同時(shí)實(shí)現(xiàn)通道的自動(dòng)功率調(diào)諧和監(jiān)視。采用ROADM系統(tǒng)無(wú)需重新設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)就可以快速提供新業(yè)務(wù)，減輕網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃負(fù)擔(dān)，減少了運(yùn)營(yíng)和維護(hù)的成本。光芯片級(jí)的平面陣列波導(dǎo)光珊型密集波分復(fù)用器和光芯片級(jí)多信道可調(diào)光衰減器是2款主要光芯片，目前國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有自己生產(chǎn)的該類光芯片，幾乎全部靠進(jìn)口。
 

　　3、環(huán)形城域網(wǎng)方面的應(yīng)用。環(huán)形網(wǎng)一般采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)，各節(jié)點(diǎn)串接于光纖環(huán)中，節(jié)點(diǎn)間信號(hào)的傳送是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接力式的， 因此網(wǎng)徑和容量都可做得很大，網(wǎng)的周長(zhǎng)可超過(guò)200km，串接節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)上千個(gè)，比大多數(shù)總線網(wǎng)大一個(gè)數(shù)量級(jí)，且光路損耗也小。雙環(huán)網(wǎng)可以單環(huán)運(yùn)行，亦可雙環(huán)運(yùn)行。單環(huán)運(yùn)行時(shí)，一個(gè)環(huán)正常運(yùn)行，另一個(gè)環(huán)處于熱備狀態(tài)提高系統(tǒng)的可靠性，此時(shí)網(wǎng)的容量取決于一個(gè)環(huán)，節(jié)點(diǎn)中也只要一套設(shè)備。雙環(huán)運(yùn)行時(shí)，網(wǎng)的容量加倍，需二套設(shè)備同時(shí)運(yùn)行。ROADM被認(rèn)為是新一代城域波分網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)志，而動(dòng)態(tài)靈活的光層，也被認(rèn)為是城域網(wǎng)的發(fā)展方向。
 

　　4、電氣控制高頻信號(hào)傳輸方面的應(yīng)用。我國(guó)正處于高速發(fā)展的過(guò)程中，工業(yè)生產(chǎn)中自動(dòng)化程度越來(lái)越高，資源和原材料都十分緊缺或價(jià)格暴漲都嚴(yán)重制約了的發(fā)展，每年除了用于網(wǎng)線、有線電視線等以外，大量的控制設(shè)備中都要使用以金屬材料為核心的數(shù)據(jù)線、控制線、信號(hào)線等。因此銅等金屬資源的消耗是巨大的，這些從技術(shù)上講完全可以用光纖和光芯片來(lái)替代。簡(jiǎn)單說(shuō)，一根光纖兩端用光芯片和光電轉(zhuǎn)換的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。大量?jī)x器設(shè)備中用于控制的傳輸線和各種類型的信號(hào)線，使得一些電氣控制柜，自動(dòng)化控制臺(tái)等一經(jīng)打開(kāi)，都是成捆的各種傳輸線、信號(hào)線，甚至都要占據(jù)控制柜的一小半重量。如果都采用廉價(jià)的光纖來(lái)傳輸，那么我們研制的配套光芯片又將是海量的應(yīng)用。這個(gè)方面很符合國(guó)家的“銅退光進(jìn)”的戰(zhàn)略和產(chǎn)業(yè)政策。特別是一些自動(dòng)化控制領(lǐng)域中的高頻信號(hào)，迄今往往使用的同軸電纜，原因很簡(jiǎn)單，只要是電線都有電磁場(chǎng)，都會(huì)互相干擾，必須要在電線外包上屏蔽層等技術(shù)手段，但是依然不能解決損耗大的問(wèn)題。
 

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