近日，我院博士生汪志城、明達在集成電路工程系譚旻研究員指導下，提出光電融合控制新方法打破國際微環波長鎖定速度記錄并大幅減小了電學控制部分面積，相關論文發表在光學旗艦期刊Optics Express和光通信頂級期刊Journal of Lightwave Technology上，論文題目分别為“ Resolving the scalability challenge of wavelength locking for multiple micro-rings via pipelined time-division-multiplexing control”（以下簡稱論文一）及“ An electronic-photonic converged adaptive-tuning-step pipelined time-division-multiplexing control scheme for fast and scalable wavelength locking of micro-rings（以下簡稱論文二）”。我校為論文第一和通訊作者單位，譚旻研究員為論文通訊作者，合作作者包括光電學院博士研究生汪宇航、物理學院王星澤教授、國光張新亮教授、上海交通大學邱辭源副教授及國家信息光電子創新中心肖希博士。
背景和挑戰
近幾年矽基光電子（矽光）技術不斷發展，促進光學互連逐步替代電學互連，克服傳統電學互連在散熱、帶寬、損耗等方面的固有缺點。然而矽光器件面臨着熱穩定性、工藝偏差等衆多挑戰，且以上挑戰難以僅僅通過改進器件制備得到解決。将光子集成和集成電路相結合的光電融合技術有望解決以上挑戰，是後摩爾時代集成電路的重要發展方向。
微環諧振器是最基礎的矽光器件之一，其在光子領域重要性可以類比微電子領域的晶體管，能夠實現調制、濾波、開關等各種核心光互連功能單元，是實現高密度、低功耗光互連的核心器件。除此之外，微環在生物傳感、量子通信等領域也有重要應用。但是微環的狀态穩定性極易受到環境溫度、工藝偏差以及輸入激光抖動等随機因素影響，且以上因素無法通過工藝制備消除，閉環反饋是維持微環穩定性的唯一手段。在閉環反饋環路中，控制電路面積一般遠大于微環面積。給每個微環提供單獨的控制電路将大大增加整體芯片整體面積及功耗（圖1a），嚴重限制微環的大規模陣列應用。如何在不影響速度等性能參數的情況下減小微環控制電路面積是亟需解決的挑戰。
圖 1 (a)單控制器單微環方案的面積示意圖；(b)單控制器多微環方案的面積示意圖
解決方案
針對電學控制部分面積和微環鎖定速度的問題，譚旻課題組提出了流水線時分複用和自适應步長光電融合控制新方法，大幅減小電學控制面積并打破國際上微環波長速度記錄。
圖 2 流水線時分複用技術與自适應步長技術相結合的時序圖
論文一提出了流水線時分複用技術，在優化單環鎖定速度的同時實現單個控制器控制多個微環諧振器（圖1b）。該技術利用控制電路響應速度（通常為μs量級）和熱調響應速度（通常為100μs量級）之間的失配，使控制電路和熱調器依次按照流水線的方式循環工作（圖2）。該方案具有極佳的可擴展性，有潛力拓展到幾十甚至上百個微環的陣列應用中。以上方案通過混合集成的光電融合芯片得到了實驗驗證。與已有文獻相比，該方案僅需一個控制器就能夠實現對四個微環的同時鎖定，并通過系統和電路的優化設計實現了15 nm/s的正弦信号鎖定追蹤及30 nm/s的階躍信号鎖定追蹤，在滿足激光抖動、溫度變化、工藝偏差等全方面穩定性要求情況下突破國際上微環波長鎖定速度記錄。
論文二提出了自适應步長技術，打破了鎖定方案的精度與速度折衷（圖2），在維持鎖定精度的同時提升了波長鎖定速度，并通過與流水線時分複用技術的結合有可能進一步提升系統可擴展性。相比于單獨使用流水線時分複用技術的波長鎖定系統，自适應步長技術的應用隻增加了少量的動态功耗，幾乎沒有增加硬件開銷。以上方案通過混合集成的光電融合芯片得到了實驗驗證，其中電芯片部分采用130nm CMOS标準工藝實現，光芯片部分采用IHP 0.25-µm photonic BiCMOS工藝實現。與已有文獻相比，該方案實現了36 nm/s的正弦信号鎖定追蹤及180 nm/s的階躍信号鎖定追蹤（表1），在滿足激光抖動、溫度變化、工藝偏差等全方面穩定性要求下實現了對微環波長鎖定速度記錄的大幅超越。圖3展示了相關的光子芯片、電子芯片及測試系統示意圖和實物圖。
圖 3 (a)四微環諧振器波長鎖定系統的測試設置示意圖；(b)微環陣列光子芯片；(c)波長鎖定電子芯片；(d)四微環諧振器波長鎖定系統的測試設置照片
表 1 性能對比
近年來，譚旻研究員領導的光電融合芯片實驗室通過集成電路設計和光子集成兩個不同領域的有機結合，提出了以反饋為中心的光與電回路級融合技術演進路線圖，開拓了光電融合集成回路設計交叉學科研究新領域，在JSSC、TIT、JLT、OE、TCAS-I、ISCAS等國際一流期刊和會議上發表論文30餘篇，申請及獲取國内外專利30餘項。
本研究工作得到了國家重點研發計劃（2018YFA0704400）的資助。
原文鍊接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/9783192
https://doi.org/10.1364/OE.459927
