上海交通大学陈建平团队：硅基集成大范围连续可调光缓存/延迟芯片

数据缓存是光交换网络中的关键，它可以避免信道冲突，提高节点的吞吐量，降低丢包率。早期研究的全光交换网络利用电学随机读取存储器（RAM）来存取信息，致使光交换速度受限于RAM的读取速度；同时该方案必须通过光-电-光的转换，系统复杂，功耗也比较大。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延迟线来实现。光延迟线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，是构建全光交换网络必不可少的核心元件。

光延迟线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有关，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，相移单元采用光学真延迟线，能保证不同频率微波信号具有一致的方向角，可以克服电子相移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。光控相控阵雷达中对微波信号大角度连续扫描要求光延迟线具有大范围连续延时调节能力。

目前存在两种主流技术方式实现光延迟：一种是通过谐振结构（环形谐振器、光子晶体、布拉格光栅等）降低光的群速度(图1a)；另一种是通过调节光经过的路径长度，实现不同的时间延迟(图1b)。环形谐振器有结构紧凑、简单可靠等优点，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。但这种调节方式的延迟?带宽积有限，无法满足很多对延迟量或带宽有要求的系统应用。而采用光开关和波导延迟线多级级联结构则可实现光延迟量的大范围调节。

图1 (a)级联微环延迟线原理图；(b)可重构光延迟线原理图

上海交通大学陈建平教授课题组基于级联开关结构，在硅基平台上实现了纳秒量级光延迟量的数字式调节，研究成果发表在Optics Express [22(19), 22707-22715, (2014)]上，Nature Photonics将其作为研究亮点报道[(8, 812 (2014)]。该芯片采用硅基光电子集成技术，具有体积小、功耗低、稳定性高、成本低等特点，是当今集成光学中最有前景的主流技术之一。这种方案可以用来实现大范围调节延迟线，但无法实现连续调节。要实现可实用的光延迟线还有以下几个需要攻克的难题：(1)如何同时实现连续和大范围的延迟调节；(2)如何保证在大范围延迟下光路的低损耗；(3)如何降低调节功耗。

陈建平教授课题组针对上述难题，提出了将级联环形谐振器与可重构光开关延迟网络相结合的解决方案(图2a)，并在降低损耗、提高器件性能方面取得了突破，具体包括：(1)将级联环形谐振器与可重构延迟网络相结合，实现宽带、大范围连续可调；(2)用60 nm的薄硅波导代替了传统脊型波导结构(图2b-c)，有效降低光的传输损耗；(3)提出级联马赫-曾德尔开关结构，无需采用可调衰减器等措施，即可获得很高的消光比，降低了系统的复杂度和功耗。

图2 硅基可调大范围延迟线结构

(a)原理图；(b)超薄波导的横截面；(c)波导基模电场分布

微环延迟线实测的可调延时量大于10 ps，与调节精度为10 ps的7比特可重构光延迟线结合，可以实现0~1.28 ns的连续可调(图3a)；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；平均每个光开关所需的π相移功耗为10 mW。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1520~1580 nm 范围内消光比达到了25 dB，大大降低了信号的串扰。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外围电路编程控制，具有很强的通用性。

该项成果发表在OSA旗舰期刊Optica [4(5): 507-515, 2017]上。和现有国际最高水平相比，该成果具有低损耗、大范围连续可调、高稳定性、高分辨率和高调节效率等优点。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-曾德尔干涉仪开关、可调谐光衰减器、微型加热器、光栅耦合器等。这些元器件采用CMOS工艺集成在一个硅光子芯片上，大幅提高了光电子芯片的性能，为大规模低成本生产打下了坚实基础。

图3 实验测试结果

(a)连续可调光延迟；(b)时分复用；(c)任意波形发生

论文链接：https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-4-5-507