西班牙研究组实现基于硅光的多功能信号处理器

最近，西班牙一研究小组在Nature Communication报道了他们的最新研究成果，他们在硅光芯片上利用由Mach Zehnder干涉器构成的六边形格点结构实现了21个功能，向可扩展通用光芯片的实现迈出了重要的一步。文章链接为https://www.nature.com/articles/s41467-017-00714-1#Sec15

六边形格点如下图所示，

六边形的每一条边是一个Mach-Zehnder干涉器(以下简称MZI)，由两个2X2的MMI、两个热相移器构成。六边形的顶点将三条边相连，如上图(c)所示。七个六边形构成一个处理器单元。图b与石墨烯结构有点相似。

通过控制MZI中上下两臂的相位，MZI可以呈现三种不同的状态，分别为bar state（光在初始波导所在的那一路）、cross state（光全部在另外一个波导中）和分光比可调的定向耦合器，示意图如下。基于这一原理，可以灵活地控制MZI的状态，进而实现不同的功能。

（文献中的图片有笔误，bar state时theta应该为pi）

整个芯片尺寸为15*20mm^2, 由30个MZI, 60个热相移器、120个金属pad和24个输入输出口构成。六边形的边长是675um。实际芯片如下图所示。图f中，光芯片已经贴装在PCB板上。图c结构对称，非常漂亮，姑且不论功能是否实现。

以下列举几种该结构（七个六边形构成的单元）可实现的功能，

1) 可调节的不对称Mach-Zehnder干涉器

其中CS表示cross state, BS表示bar state, TC表示tunable coupler, AV表示available。图中箭头表示信号的方向。

2) 可调节的环形谐振器

其中kappa_1和kappa_2的大小可以调节。

更复杂一点，可以构成双环形的谐振器，如下图所示，

3）多输入输出的线性变换

(a)图实现了1和3端口的交换操作，(b)图实现了3->2, 2->1, 1->3的操作, (c)图实现了控制非门操作。

文章中给出了这些不同配置下的实验结果，这里就不一一介绍了。在补充材料里，作者给出了如何将线性变换的逻辑操作转变成相应的六边形格点结构的代码。这有点类似计算机的程序预言，作为用户，我们可能并不关心底层是如何实现，是六边形格点还是四边形格点结构，我们只需把所要实现的功能告诉计算机即可。

几个小问题：

1）如果利用光进行信息处理，它的基本单元是什么？是类似集成电路的三极管，还是本文中的Mach-Zehnder干涉器？光三极管实现起来比较困难。而由MZI构成的格点结构只能实现线性变换。以后有空可以调研下。

2）本文的相移器都是基于热光效应的，其调制速度不够快，约在ms量级，这在将来会制约光芯片处理信号的速度。之前在Bristol大学在硅光芯片上实现纠缠态的产生、操控与分析 中提到，是否可以用电相移器。后来了解到PIN型的电相移器，由于掺杂会增大波导的传输损耗，所以不一定可取。是否有更好的方法？

3）如何控制好某一个热相移器，使其不影响周边的热相移器，减小彼此间的干扰？这对逻辑功能是否能实现，影响比较大。

4）文章中没有给出具体的功耗，一般热相移器的功耗是几十毫瓦，这么多相移器一起工作，其功耗还是非常大的，这也是一个比较大的问题。

5）该结构虽然可实现很多功能，但是有些功能可以用更简单的结构来实现，是否有必要通过该结构实现，还有待商榷。

6）格点是否可改换成其他结构？例如三角形、四边形。

以上是对这篇最新进展的简单介绍。总体说来，这篇工作基于硅光芯片，实现了多功能的信号处理器，开启了可扩展光信息处理的大门，非常有意义。文章实验数据非常详实，补充材料中有很多东西值得深入学习，接下来会仔细阅读。

文章中如何有任何错误和不严谨之处，还望不吝指出！欢迎大家留言讨论。

参考文献：

1. Daniel Pérez，et.al., Multipurpose silicon photonics signal processor core, Nature Communications 8, 636(2017)