陈建平、周林杰课题组：
光缓存——“纷争数据浪潮，逐鹿硅光江湖”
信息时代互联网迅速发展，通信网络极大地推动了数据中心的发展，目前数据中心的机柜中目前仍在大量使用铜线缆，但现有数据传输技术将很快到达性能极限，如带宽、成本、功耗等。互连领域光进电退已是必然趋势。光互连技术不断从长距离向短距离拓展，这就要求光器件必须朝着高速、小体积、低功耗的方向发展。集成光子器件由于其体积小、功耗低、稳定性好的特点，是实现片上光互连的最佳选择。硅材料由于其优越的半导体特性和稳定、成熟的制备工艺，是集成电路中运用最多的材料。硅基光子器件具有其特有的技术优势，包括比传统光电器件更高的集成度、可嵌入更多功能、更低功耗和更高的可靠性，成为当今集成光学中的研究热门之一。
数据缓存是光通信网络中的一个关键模块，它可以避免信道网络冲突问题，提高节点的吞吐量从而降低丢包率。在下一代全光交换网络(如分组交换)中对数据缓存的性能指标要求更高。早期的全光交换网络利用电学随机读取存储器(random-access memory，RAM)来存取信息，此方法的光交换速度受限于电RAM的读取速度，同时该方案必须通过光电光的转换，使得系统较为复杂，系统的电学功耗也比较大。于是，人们开始思考是否可以不经过光电光的转换，直接在光学系统中完成数据缓存的功能，遗憾的是尚未有成熟可行的光学存储方案或者器件，因此，现有的针对数据缓存以及同步功能的光学系统均是依靠各种可调光学缓存实现的。光缓存可以实现对多通道信号的精确同步以及解决数据竞争冲突问题，是构建未来全光交换网络必不可少的核心元件。
图1 (a)级联微环延迟线原理图；(b)可重构光延迟线原理图
有两种方式可以实现光缓存。一种是通过环形谐振器、光子晶体、布拉格光栅等结构降低光的群速度(图1a)。其中环形谐振器有结构紧凑、结构简单等优点，可以通过移动谐振点的波长，改变群速度，进而实现群延迟的连续可调。另一种是通过调节光经过的路径长度的不同，实现不同的时间延迟(图1b)。上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室陈建平教授课题组，在研究骨干周林杰教授带领下，基于此方案发表的“Seven-bit reconfigurable optical true time delay line based on silicon integration”得到了Nature Photonics的亮点报道。这种方案可以用来实现连续大范围可重构延迟线，但受限于长度需要精确计算以及最短长度值（最小延时增量），无法实现高精度的延时。
在对硅基光延迟线的机理以及关键技术的研究过程中，主要有以下几个需要攻克的问题：(1)如何实现较大的延时调节范围和较高的调节精度；(2)如何降低器件插入损耗；(3)如何降低调节功耗；(4)如何进行电学与光学封装。
图2 (a)连续可调光延迟线原理图；(b)超薄波导的横截面；(c)基模的电场分布
2017年，在周林杰教授带领下将级联环形谐振器与可重构延迟网络二者相结合，提出并实现了一种硅基连续大范围可调的光缓存芯片(图2a)。针对目前面临的问题，该课题组提出并落实了如下方案：(1)将级联环形谐振器与可重构延迟网络二者相结合，实现大范围连续可调；(2)用60nm的薄硅波导代替了脊型波导结构(图2b-c)。由于薄硅波导对光的束缚能力较强，因此使用薄硅波导可以有效降低光的传输损耗。(3)提出级联马赫-曾德尔开关结构，无需打开可调衰减器，降低功耗。(4)芯片中的金属pad引线键合到PCB板上，光纤阵列与芯片通过UV胶固定，并对整个芯片进行封装。
图3 (a)连续可调光延迟量测试图；(b)时分复用测试图；(c)任意波形发生图
在这项工作中，该课题组通过实验证明了：(1)环形延迟线实现的可调延时量大于10ps，与调节精度为10ps的7-bit可重构光延迟线结合，可以实现0-1.28 ns的连续可调(图3a)；(2)基于超薄硅波导平台的光缓存芯片，最大延时1.28 ns时损耗仅为12.4 dB;(3)平均每个光开关所需的π相移功耗仅为10mW。且相较于单个马赫-曾德尔结构，使用新型双级级联马赫-曾德尔结构作为开关单元，提高了开关的消光比，在1520nm-1580nm范围内消光比达到了25dB。以双级级联开关作为7-bit可调延迟线的开关单元，大大降低了信号的串扰。所以无需打开可调光衰减器，即可保证信号质量，使得结构的复杂度与整体功耗明显降低。(4)该芯片同时具有光时分复用(图3b)、任意波形发生(图3c)和滤波等功能，这些功能都可以通过电路系统控制。
和现有国际最高水平比较，该课题组的光缓存芯片具有优越的性能指标，如低损耗、大范围连续可调、稳定性强、高分辨率和高调谐效率等优势。该芯片集成了几十个电学和光学元器件，如微环谐振器，马赫-增德尔干涉仪开关，可调谐光衰减器，微型加热器，光栅耦合器等等。这些元器件集成在一个硅光子芯片上，且CMOS工艺兼容，大幅提高了光电子芯片的性能，并为大规模低成本生产奠定基础。
光缓存同时在微波光子领域也有广泛用途，比如光控相控阵雷达、微波光子滤波器等。在传统电学相控阵雷达中，由于微波相移器的相移量与频率无关，导致不同频率的微波信号所对应的方向角不一致而引入孔径效应。利用光学系统实现的光控相控阵雷达中的相移器单元采用了可调光延迟线，并对其调节范围和精度提出了较高的要求，可以克服电子移相器带宽有限造成的孔径渡越现象，是新体制雷达中的关键技术之一。
论文链接：
https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-4-5-507
