全集成混合多模-多波长光子处理器实现皮秒级延迟

《Nature Communications》：Fully integrated hybrid multimode-multiwavelength photonic processor with picosecond latency

为解决下一代通信系统中因硬件复杂度和计算需求激增导致的数字信号处理(DSP)瓶颈问题，研究人员开展了一项关于全集成混合多模-多波长光子处理器的研究。该研究通过将模分复用(MDM)与波分复用(WDM)相结合，在单芯片上集成了绝热模复用器、模选择微环谐振器和平衡多模光电探测器，成功实现了5 Gb/s的实时光学MIMO信号解扰和射频信号去干扰，处理延迟仅为30 ps。这一成果为未来无线和光通信网络提供了可扩展、高能效的超低延迟处理器解决方案。

　　

在当今这个信息爆炸的时代，无论是我们手中的智能手机、家中的智能设备，还是支撑着整个互联网的庞大服务器集群，都在不断地产生和传输着海量数据。为了应对这种数据洪流，通信系统采用了多输入多输出(MIMO)技术，它就像是在一条马路上同时开辟多条车道，极大地提升了数据传输的速率和效率。然而，随着“车道”数量的急剧增加，传统的电子数字信号处理器(DSP)开始显得力不从心。它就像是一个交通指挥中心，面对越来越复杂的车流，处理速度变慢，延迟增加，最终成为了整个通信系统的瓶颈。

为了突破这一瓶颈，科学家们将目光投向了光子技术。光子处理器利用光来传输和处理信息，具有带宽大、延迟低、能耗低等天然优势，被誉为下一代计算技术的希望。然而，现有的光子处理器也面临着自身的挑战。例如，基于波分复用(WDM)的处理器虽然性能优异，但其可扩展性受到了微环谐振器(MRR)自由光谱范围(FSR)的限制，导致可用的波长通道数量有限。而基于空间复用的处理器虽然能增加通道，但往往体积庞大，且对相位波动极为敏感，难以实现大规模集成。

那么，有没有一种方法能够鱼与熊掌兼得，既能实现大规模扩展，又能保持高性能和低延迟呢？这正是Ahmed Khaled、Bhavin J. Shastri等研究人员在《Nature Communications》上发表的最新研究所要回答的问题。他们提出并展示了一种全集成混合多模-多波长光子处理器，通过巧妙地结合模分复用(MDM)和波分复用(WDM)两种技术，成功地将处理器的容量和性能提升到了一个新的高度。

为了开展这项研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，他们设计并制造了一种基于绝热定向耦合器的模复用器，用于将不同模式的光信号高效地耦合到同一波导中。其次，他们开发了模选择微环谐振器(MRR)阵列，通过精确设计波导宽度和环半径，实现了对不同模式和波长的选择性响应，从而对信号进行加权处理。最后，他们集成了平衡多模锗光电探测器(BPD)，能够直接对多模信号进行光电转换和求和，无需先将信号解复用，从而实现了真正的片上全光处理。

2.1 多模光子处理器

研究人员设计并制造了一个全集成MDM-WDM兼容的光子处理器。该处理器包含三个核心组件：绝热模复用器、模选择微环谐振器(MRR)和平衡多模光电探测器(PD)。通过实验测量，模复用器在30 nm的宽带范围内表现出低插入损耗和高串扰抑制比。模选择MRR阵列被设计为通过调整总线波导宽度来实现模选择性，通过调整环半径来实现波长选择性，从而实现了在多个空间模式上复用波长通道。平衡多模PD则被设计为具有宽带宽和高响应度，能够直接对多模信号进行检测。最终，研究人员成功展示了两种配置的处理器：2模2波长和4模1波长，验证了该架构的可扩展性。

2.2 光学信号解扰

为了验证处理器的实际应用能力，研究人员演示了实时光学MIMO信号解扰。在光MIMO链路中，由于光纤弯曲、模色散和散射等因素，不同模式上的信号会发生混叠，导致信号失真。研究人员通过实验模拟了这种混叠，并将两个5 Gb/s的非归零码(NRZ)信号输入到2模2波长处理器中。处理器通过热调谐MRR权重，应用了逆混叠矩阵，成功地从混叠信号中恢复了原始信号。实验结果显示，恢复后的信号眼图清晰，误码率(BER)显著降低，证明了处理器在模拟光域内进行实时信号处理的强大能力。

2.3 射频信号去干扰

研究人员进一步展示了处理器在射频信号处理中的应用，即盲源分离(BSS)去干扰。在无线通信中，目标信号常常会受到干扰信号的污染。研究人员模拟了这种场景，将目标信号（相移键控PSK信号）和干扰信号混合后输入处理器。通过使用快速独立成分分析(FastICA)算法估计逆混合矩阵，并将该矩阵通过热调谐MRR权重实现在片上，处理器成功地从混合信号中分离出了目标信号。实验结果显示，分离后的信号星座图质量显著提升，Q因子大幅改善，证明了处理器在宽带射频信号处理中的有效性。

3 讨论

研究人员对处理器的可扩展性进行了深入分析。他们比较了两种扩展策略：空间复用方案(SMS)和模分复用方案(MDM)。分析表明，SMS方案在扩展时会因输出节点电容的增加而导致处理速度下降。而MDM方案通过增加波导宽度来支持更多模式，虽然光电探测器的结电容会略有增加，但由于消除了布线电容，且模式并行性带来的吞吐量提升足以补偿速度损失，因此MDM方案在扩展时能够保持甚至提升系统的吞吐量。这一分析结果凸显了MDM方案在构建大规模光子处理器方面的巨大优势。

这项研究成功展示了一种全集成混合多模-多波长光子处理器，它通过结合模分复用(MDM)和波分复用(WDM)，有效突破了传统光子处理器的可扩展性瓶颈。该处理器在单芯片上集成了绝热模复用器、模选择微环谐振器(MRR)和平衡多模光电探测器，实现了真正的片上全光处理。通过实验，研究人员验证了该处理器在实时光学MIMO信号解扰和射频信号去干扰等应用中的卓越性能，处理延迟仅为30 ps。更重要的是，研究通过理论分析证明，相比于传统的空间复用方案，模分复用方案在系统扩展时能够保持甚至提升吞吐量，为构建大规模、高吞吐量、低延迟的光子处理器奠定了坚实的基础。这一成果为未来无线和光通信网络、人工智能加速以及边缘计算等领域的信号处理任务提供了极具前景的解决方案。