Abigail Williams 发现，随着电信网络面临的压力持续增长，光电子集成芯片 (PIC) 技术正变得愈来愈先进，可用于光通信以维持前所未有的流量增长。
该领域近来最有趣的发展之一是普林斯顿大学和美国NEC 实验室开展的一项研究项目，该项目旨在开发一种基于硅基光电子的神经网络技术，用来增强海底传输系统。
正如普林斯顿大学访问研究学者和香港中文大学黄超然教授所解释的那样，这种新颖的系统使用硅基光电子技术，它为光子集成电路提供了“最具可扩展性的平台，因为它提供了高质量的光子互连，同时还在生产中的最大直径晶圆上提供具有竞争力的集成度的高速有源组件。
基于这项技术，项目团队开发了硅基光电子神经网络芯片，通过普林斯顿光波实验室的研究小组展示的所谓“广播及权重协议”来模拟底层神经网络模型。该协议使用波分复用 (WDM) 的概念来实现光子神经元之间的可扩展互连。这种架构中的神经元产生具有不同波长的光信号。这些光子神经元被多路复用到单个波导中并广播给所有其他人。
权重应用于使用可调谐波长滤波器群组在多个波长上编码的信号。沿其传输边缘调整滤波器可改变每个信号通过该滤波器的传输，从而有效地将信号与所需权重相乘。产生的加权信号被发送到光电探测器，该探测器可以并行接收多个波长并对它们进行求和运算。”黄说。
产生的光电流驱动光调制器，将光电流非线性转换为光功率。因此，光调制器在光子神经网络中即可充当非线性激活函数——即“神经元”。
“这些光子设备具有无与伦比的速度和带宽。” 黄说。“因此， 在光子神经网络 (PNN) 上运行的算法可以打破电子设备的性能限制，并在解决传统数字电子平台无法完成的智能任务时获得速度、延迟和功耗方面的优势。
“这可能是光子神经网络的第一个实际应用，并展示了该系统如何实时处理光信号——即预测和补偿超过 10,000 公里跨太平洋海底传输链路中的光纤非线性特性，”她补充说。
替代硬件解决方案
黄强调说，鉴于今天的网络流量“以每年 30% 的速度增长”，未来十年内，光通信容量需要增加一个数量级以上，以维持持续的互联网运营”。此外，由光纤中的有害影响引起的信号失真“在大容量和长距离通信系统中变得愈来愈严重”。
黄解释说：“数字信号处理 (DSP) 具有经证实的抗传输失真能力，是过去几十年推动互联网发展的一项关键技术。然而，高速 DSP 实现的 CMOS 电子芯片的进步在很大程度上依赖于摩尔定律的缩放比例。今天的半导体技术在功耗、密度和可行的工程解决方案方面已经接近极限。因此，若基于DSP 的容量，将发现在后摩尔定律时代支持互联网流量的持续指数增长变得越来越具有挑战性。”黄说。
认识到这一局限性，黄指出，该研究的主要目标是开发替代硬件解决方案，以解决由摩尔定律放缓导致的潜在光网络容量紧缩的问题——促使团队使用在硬件中实现的神经网络由硅基光电子技术支持的集成光子芯片，它使用光子器件和电路模拟底层神经网络模型。
与现有方法相比，黄观察到，使用神经网络进行光通信的一个关键优势是，“一个只有几个神经元和数十个设备的简单光子芯片，超越 DSP 芯片在吞吐量、延迟和能源的应用。
“此外，我们的光子神经网络利用了最初为光通信设计的高质量波导和光子器件——即光电探测器和调制器。因此，光子神经网络始终可以适应光纤通信速率，并为未来的光网络提供实时处理，有望解决摩尔定律放缓导致的潜在光网络容量紧缩的问题，”她说。
无缝接口
尽管目前的工作重点是解决单波长通道中的信号失真，但黄指出，光子神经网络也可以与 WDM 光纤系统“无缝”连接。展望未来，研究团队计划使用这种新颖的架构在光域中并行处理多个 WDM 通道。据黄说，这将导致带宽增加“超过太赫兹，大大超出了 DSP 的能力”。
“这种独特的功能有助于在 WDM 通信系统中进行通道间非线性补偿，而 DSP 则在努力解决这一问题，同时通过消除耗电的 ADC 来提供低能耗操作——这可能会在某些传输中消耗超过 40% 的能量，”她说。
“与此同时，光子神经网络凭借其在带宽、延迟和功耗方面的独特优势，可以在许多新的应用领域发挥独特的作用——例如，机器学习加速、非线性编程和智能信号处理。我们未来的研究将探索我们的光子神经网络的更多应用，我们正在与 NEC 合作制定商业化计划，”她补充说。
磷化铟
Infinera 已投资建设自己的最先进的 InP PIC 制造设施
另一个有趣的正在进行的计划是 Infinera 开发高性能磷化铟 (InP) 作为光通信 PIC 平台的工作。凭借其作为光子集成领域早期先驱的声誉，该公司于 2005 年制造了业界首个大型 PIC，现在该公司专注于利用基于高磷化铟的 PIC，将广泛的光学功能集成在一个单一的芯片。正如 Infinera 解决方案营销总监 Paul Momtahan 所解释的那样，这种方法“降低了成本、占地面积和功耗，同时提高了性能和可靠性。
“我们还大力投资建设我们自己最先进的磷化铟 PIC 工厂——迄今为止唯一一家这样做的设备制造商。除了这种垂直集成具有明显的成本优势外，它还可以实现快速重新设计以优化性能、严格的质量控制和更快的新技术和产品（例如 ICE6）的量产，”他说。
在Momtahan 看来，在 PIC 和光通信系统中使用磷化铟具有许多固有的优势。首先，在调制器方面，他指出，磷化铟的电光效应“从根本上比硅光子学使用的等离子体色散效应更有效”——并且对于给定的单元产生“高达 10 倍”的相变“
“因此，据我所知，目前市场上的所有第五代 90+ GBd 相干光学引擎都使用 InP 调制器，”他说。
Momtahan 还观察到，磷化铟可以支持增益组件，例如激光和放大（半导体光放大器），从而实现他所描述的“具有更好性能和更低成本的更单片集成的光子电路”。他强调了这样一个事实，即在“可插拔”中，此功能还可以在QSFP-DD 外形尺寸中实现更高的传输功率（0 dBm 与–10 dBm），因为“它们没有空间容纳外部微型 EDFA，这是关键与许多现有的 DWDM 线路系统兼容。
他补充说：“相比之下，硅基光电子技术依赖于外部 (InP) 激光器和光放大器。”
谈到挑战，Montahan 观察到，建立一个能够提供商业数量的高性能相干基于磷化铟的光芯片制造设施需要“时间、专业知识和前期投资”。
“对于没有使用基于磷化铟的 PIC 经验、不拥有或无法使用磷化铟晶圆厂的供应商，利用现有 CMOS 代工厂和传统（~130nm 至 45nm 工艺节点）设备的能力为供应商可以更快地将光子集成电路推向市场，并且前期投资更低，”他补充道。
在当前和潜在的电信应用方面，Momtahan 观察到磷化铟和硅基光电子将继续用于相干 DWDM 嵌入式和可插拔光学引擎设计 - 但强调，对于高端嵌入式光学引擎，卓越的调制效果和更大的光子集成使磷化铟具有“固有的性能优势”。
他补充说：“对于相干可插拔器件，磷化铟将放大功能集成到光子集成电路中的能力使得 QSFP-DD 形状因子相对于硅基光电子技术具有更高的传输功率。”
展望未来，Mommahan 证实 Infinera 正在为其嵌入式光学引擎投资磷化铟 PIC——从而实现“更高的波特率”——并继续投资用于相干可插拔的磷化铟 PIC，包括 XR 光学相干可插拔的ICE-XR 系列。
聚合物光电子集成芯片
在其他地方，位于科罗拉多州的技术平台公司 Lightwave Logic 正在探索将高性能光学聚合物用作电信应用聚合物 PIC 系统的一部分。凭借其在有机材料方面的经验，尤其是那些具有电光特性的材料，该公司已针对包括光纤通信在内的一系列应用改进了其专有的发色团材料。
调制器带宽的相对比较（Lightwave Logic）
正如Lightwave Logic 首席执行官 Michael Lebby 所解释的，这些材料的一些关键特性包括“在 1310nm 和 1550nm 波长下的低损耗、高普克尔效应、高玻璃化转变温度和出色的材料稳定性”。当电光聚合物被制造成 Mach Zehnder 光调制器（一种在互联网中常见的设备）和光网络时，Lebby 观察到“实现了极快的光开关速度和低驱动电压”。
尽管其他基于半导体的 Mach Zehnder 调制器如今已投入商业使用，但 Lebby 表示，它们“运行速度相对较低，并且由于其更高的电压驱动而功耗显着增加”——这将行业限制在调制器设备速度和功耗的平台期在过去的十年里。
“我们现在正处于需要加速 PIC 芯片的时间点，'他说。'现有的半导体调制器根本不够快，而且消耗太多功率。我们的 Polymer Plus 光学聚合物平台允许使用标准硅半导体技术制造电光聚合物，从而直接解决了这些问题。例如，可以将聚合物材料纺成硅光子电路，从而使聚合物调制器提高 PIC 芯片的速度，同时保持低功耗。
他补充说：“我们的聚合物插槽技术还可以制造成一个性能更高、占地面积非常小的 PIC 平台，通过使用更少的空间来节省成本。收发器是可插拔的还是板载的都没有关系，两者都需要以较低功耗水平进行高速调制。
对于Lebby 来说，使用电光聚合物的性能优势“可以通过性能Mach Zehnder 调制器器件”看出——调制器采用该材料“轻松实现”70-100GHz 的电光带宽，是现有的两到三倍半导体器件。此外，当调制器以 1 伏或更低的电压驱动时，Lebby 观察到低电压“消除了对专用驱动器的需求，这反过来又允许光学系统架构师直接从 CMOS 电子设备驱动，从而节省系统功率和金钱” 。
尽管Polymer Plus 和 Polymer Slot 技术平台目前都基于使用大型 CMOS 硅代工厂 - 专注于硅半导体的制造厂，并且传统上为集成电路 (IC) 设置了工艺设计套件 (PDK) - Lebby透露，在过去几年中，许多硅代工厂一直在“寻求通过提供硅基光电子解决方案来提高晶圆产量”。
他说：“当聚合物被添加到硅基光电子技术中时，正是这些代工厂成就量产规模的催化剂。我们在科罗拉多州的工厂和一家小型制造厂正在使用电光聚合物制造聚合物调制器。就 PDK 而言，将标准半导体制造技术运送到大型铸造厂相对简单，因为这些工艺是可行的。
为了使聚合物调制器“在整个行业中无处不在”，Lebby 还指出，挑战正在以“创纪录的速度”得到解决——包括先进和成熟的电光聚合物、大规模的简单和标准制造以及封装调制器设备的实施进入商业应用。
“用于光纤通信的聚合物行业发展迅速，随着规模、体积和性能的正确定位，电光聚合物已做好充分准备，使光网络系统业务更具竞争力，”他补充说。
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