近日，浙江大学光电学院戴道锌研究团队在Nature Communications期刊在线发表了题为「Versatile parallel signal processing with a scalable silicon photonic chip」的研究论文。针对可编程处理器面临的规模扩展性差和调校复杂度高等问题，提出并实现了一种基于波分/时分复用的并行光处理芯片。该芯片采用超低损耗硅光波导和低相位误差光开关，芯片面积为3.65×3.85 mm²，成功演示了微波滤波、任意波形生成和光学计算等多种功能，充分展示了其可编程多功能应用的巨大潜力。本文第一作者为浙江大学光电学院博士生洪仕瀚，通讯作者为谢意维副教授、戴道锌教授。

图1 | 多功能并行处理硅光芯片。

背景介绍

硅光信号处理器具有大带宽、低延迟、低功耗和安全性等潜在优势，受到广泛关注。特别是其借助于调谐元件，可实现多种光处理任务的灵活切换，从而满足不同的应用需求。目前，人们已提出多种可编程硅光处理芯片，通常采用分束器或马赫-曾德干涉仪（MZI）开关，构建出二维反馈或者一维前馈光开关网格，从而支持可重构的光处理系统，实现延迟线滤波器、波束形成、频率测量和矩阵运算等多种功能。然而，以往的可编程光处理芯片往往引入大量光开关及阵列，而光开关受随机相位误差影响而导致其控制调校异常复杂。此外，由于受到光波导传输累积损耗等制约，传统硅光处理芯片难以实现大规模扩展，无法满足更为复杂的任务需求。

文章亮点

本文提出了一种多功能并行硅光处理芯片，其原理是：以多波长激光器或微梳源为光源，以多信道、多波长和多延迟状态协调实现并行信号处理。入射的多波长由输入端双椭圆环滤波器阵列（DER）波分解复用之后，发送到可调延迟线阵列（TDL），且各通道均可单独调整以控制光信号延迟/相位。在输出端，延迟光信号由可调DER阵列进行幅度控制和波分复用处理之后输出。

本文引入了自主创新的高性能单元器件，显著降低了该处理芯片的累积损耗和调校复杂度，解决了其规模扩展难和调校复杂度高的问题：

(1) 引入了低损耗展宽硅光波导和紧凑型欧拉曲线，显著降低了其传输损耗及延迟误差，实现了超低损耗的紧凑型延迟线波导。所研制硅光波导损耗仅0.14 dB/cm，比单模波导损耗（2 dB/cm）降低了15倍；

(2) 引入了自主提出的免校准MZI光开关，通过拓宽相移器波导宽度至2 μm（远超单模条件），并采用紧凑欧拉S弯曲设计，显著降低了随机相位误差，无需施加任何调校即可获得近乎完美的初始开关状态，实现了免校准MZI光开关。所研制MZI光开关单元总损耗仅0.38 dB，60 nm波长范围内消光比超25 dB，开关功耗为25 mW/π、速度为14 μs；

(3) 引入了半径/宽度双渐变的的双椭圆微环(DER)滤波器，实现了具有大自由光谱范围（FSR）的平顶滤波，适用于多通道复用。所研制DER阵列通道间隔为1.6 nm、3dB带宽为0.6 nm，下载端损耗约1 dB。

图2 | 硅光处理器核心单元器件。(a) 低损耗硅光波导螺旋线；(b) 免校准MZI光开关; (c) 延迟线阵列; (d) 双椭圆微环阵列。

基于所研制的硅光处理芯片，本文开展了超宽带、超高速和低功耗功能演示，包括微波光子波束成形、微波光子滤波、并行卷积运算等方面.

微波光子波束成形

通过调控延迟、幅度和信道数等，成功演示了转向角和波束宽度均可灵活调控的接收端微波光子波束成形，实现了多波束束宽和±75°宽角度调控，可用于大角度精准接收。

图3 | 硅光处理芯片：微波光子波束成形（接收）。(a) 基于硅光处理芯片的微波光子波束成形接收工作原理。(b-c) 16个通道的微波信号测量相位响应和群延迟响应。(d) 不同转向角和不同通道数对应的波束图。(e) 不同RF频率对应的波束图。(f) 实现特定波束成形角度时的DER及光开关工作电压。

微波光子滤波

通过调控抽头数N、抽头系数h(n)或时间延迟间隔ΔT，可实现FSR（5-34.4 GHz）/3dB带宽（3.4-11.9 GHz）均可调谐的窄带微波光子滤波器，以适应不同应用场景的滤波需求。

图4 | 硅光处理芯片：微波光子滤波。(a) 基于硅光处理芯片实现可重构微波光子滤波器的工作原理。(b, c) 基于调控通道延迟间距实现具有不同FSR/带宽的微波光子滤波响应。(d, e)基于调控通道间距实现具有不同FSR的微波光子滤波响应。(f, g) 基于调控高斯包络实现具有不同通带带宽的微波光子滤波响应。

并行卷积图像处理

通过选择输入信号的通道数量、延迟、强度等，可实现多路信号的多通道并行处理计算，演示了调制速度39 Gbaud、算力1.25 TOPS图像处理能力，且可选择不同通道数量实现不同速率处理。其中，选取较小时延间隔时，可获得更高计算速度，但精度较低，适用于云数据中心中大规模数据的初步快速筛选。反之，如需精细识别分析，则可选取较长时延间隔，获得高精度处理。

图5 | 硅光处理芯片：并行卷积图像处理。(a) 基于硅光处理芯片实现并行卷积图像处理的工作原理。提取图形边缘处理：(b) 上边缘、(c) 左边缘、(d) 45°边缘和 (e) -45°边缘。

总结与展望

本文提出并研制了一种基于波分/时分复用的可编程多功能并行处理硅光芯片，采用自主创新的超低损耗硅光波导和低相位误差光开关，克服了规模扩展性差和调校复杂度高等问题，实现了多样化复杂信号处理任务，演示了微波光子波束成形、微波光子滤波、并行卷积图像处理等三种代表性功能，展示了其可编程多功能应用的巨大潜力，可应用于微波信号处理、光通信、人工智能等场景。

原文链接：

DOI: 10.1038/s41467-024-55162-5,

https://www.nature.com/articles/s41467-024-55162-5

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