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进入新时代:光子学中的摩尔定律

导读: 微电子学中著名的摩尔定律认为在单片芯片上集成的晶体管数量以指数规律发展,也就是说在过去的四十年中以每两年翻一番的速度进行增长。

  1. 光子芯片发展的复杂度

  微电子学中著名的摩尔定律认为在单片芯片上集成的晶体管数量以指数规律发展,也就是说在过去的四十年中以每两年翻一番的速度进行增长。在光子学中我们也观察到了相似的情况,包括早期阶段。图1和表1显示了基于InP的光子芯片(PICs)发展的复杂度。

图1  光子芯片复杂度的发展

表1  光子芯片复杂度的发展

  早期复杂的基于InP的PICs包括1989年由Koren等制作的WDM源,1991年由Cremer等制作的光栅接收机,1992年由Gustavsson等制作的开关阵列,1994年由Kaiser等制作的外差接收机。目前为止报道的最复杂的是基于阵列波导光栅(AWG)的PICs。1988年Smit制作出第一片AWG,随后复杂度不断提高,WDM接收机在1993~1996年间的实现5~10个元件的集成,WDM激光器在1994~1996年间实现10~20个元件的集成,WDM通道选择器在1994~2001年间实现10~20个元件的集成。

  新世纪以来复杂性方面明显增加:WDM接收机和发射机芯片在2003~2005年间集成了44~51个元件。特别是在2006年,Infiner突然报道实现了集成241个元件的40通道WDM发射机。最近的器件包括2009年Nicholes报道的集成超过175个元件的全光可调谐8×8波长路由器,2010年Soares报道的集成超过300个元件的100通道任意波形发生器。最近Infiner报道了迄今最复杂的PIC,即集成超过400个元件的偏振复用正交差分相移键控(PM-DQPSK)发射机。

  图1显示出光子芯片复杂度的增长大致呈现指数规律,但是比微电子具有更多的离散点。如果仅仅看基于AWGs的器件,大部分奇异点将消失,从而呈现明显的光子学摩尔定律。

  2. 光子学和微电子学的差异

  但是,光子学和微电子学中的摩尔定律存在重大的差异。微电子学中用于复杂度计算的器件是商业应用ICs,但是光子学中的器件却仅存在于文献中,而没有实际的市场应用。那么为什么文献中报道的高级PICs在欧洲、美国、远东地区已经具有了二十年的技术积累,还是没有进入市场呢?该问题和目前的项目资助模式有关:技术发展和其应用紧密相关,在没有显著或者重要的应用时就不会获得资助。另外由于各实验室制作光子芯片都是按照自己的技术进行,成本相对较高,还达不到广泛推广应用的要求。这和微电子学中虽然市场广大但是技术体系单一的状况有很大不同。因此光子芯片发展问题的解决方案就是:应用微电子学改变世界的方法到光子学集成中。具体说需要分两步实现:

  第一步,开发几个能够实现广大功能的通用集成技术;

  第二步,开发一些能够开放式获取这些技术的基础性架构。

  3. 通用的光子集成技术

  微电子学中的复杂功能都是通过以不同的数量和结构来组装像晶体管、二极管、电阻、电容、连接器等一系列相当小的标准部件实现的。复杂度从几百个到几十亿个部件的都有。

  光子学中我们可以采取类似的方式。纵观光子回路的功能,可以看出它们一般由以下一些元件组成:激光器、光放大器、调制器、探测器、耦合器、滤波器、复用/分离器等。通过合适的设计这些元件,也可以将其最小化到一系列基本的标准部件。

  作为基本的标准部件我们需要一些被动器件实现光的合成和分束,这样的器件分为波长相关和波长无关两类,前者包括滤波器、波分复用器等,后者包括功分器、耦合器和合束器等。大部分这样的器件可以通过组合不同宽度和长度的被动波导来构成,因此只要集成步骤合适,就可以通过集成被动波导来构造被动器件,比如多模干涉(MMI)耦合器和AWG。另外这些被动器件作为基本的标准部件如果要实现更复杂的功能还应该能对光信号的相位、幅度和偏振态进行控制。

  图2显示了利用通用的InP技术可以实现的功能,包括被动波导器件、相位调制器、半导体光放大器、偏振转化器等四种基本的标准部件。图3显示了一个具有纳秒量级开关速度的集成离散可调谐激光器。

图2  利用通用的InP技术可以实现的标准部件

图3  基于AWG的快速调谐激光器的环路方案和显微照片

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