你能想象有多少足球队能在同一时间在同一场地训练队形，而不会通过巧妙的安排互相干扰吗？一个中国科学研究小组已经发现了一个在光电芯片上实现光波的紧凑方案。

光电芯片是光通信领域的前沿设备。当一个人保护它时，它将光纤传输的大容量光信号转换成服务器和处理器可以“读取”的电信号

面对数据流，小尺寸、低功耗的光电芯片在带宽方面面临巨大压力。

哈尔滨工业大学(深圳)副教授和教授宋庆海与上海交通大学研究员杜、教授何祖源合作，成功设计了一种新的结构和优化算法，在解决串扰和损耗问题的同时为光电芯片添加“通道”，为大规模集成铺平了道路。

由中国科学院上海光学精密机械研究所和中国光学学会主办的《中国激光》杂志最近发布了2019年中国光学十大进展。上述“密集集成任意布线的模块化复用光子芯片”被选为应用研究成果。

3月26日，徐克在接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者专访时表示，这项工作是基于“模分复用”的前沿概念，突破了关键瓶颈。

“我们已经使WDM光子芯片的大规模集成成为可能，”他说。“目前，我们已经演示了三个数据通道，最新的实验结果已经完成了四个数据通道。未来，我们将在复用通道数量方面取得进一步突破，同时降低芯片功耗。”

光电转换的关口

该团队研究的半导体光电芯片属于近年来兴起的通信芯片之一。

光通信系统的基本原理是:发射端将高速数据流的电信号调制成激光输出的光信号，并通过光纤传输。接收端接收光信号，然后将其转换成电信号，经调制和解调后成为信息。

光电芯片承担光电转换的任务。徐克认为，大容量、高数据流的光电芯片在5G正向传输、数据中心和超级计算互连系统中有着重要的应用。将来，它们也可能出现在其他领域，如量子计算、人工智能和生物传感器。

可以想象，光电芯片的带宽对整个系统的速度至关重要。即使光纤传输速度更快，比如飞机的飞行时间很短，如果只有一条线路在出口安检，整个行程都会被延迟。

增加通信的“车道”

模分复用的概念诞生了，它可以在不增加激光器数量的情况下显著提高芯片的并行处理能力。

"在提到模分复用的概念之前，我们应该先介绍波分复用."徐克说。波分复用早在1978年就被提出，并被广泛应用于干线光纤传输系统。

每个数据信道(波导)传输几个到几十个波长，并且每个波长装载不同的数据。由于波长不会相互干扰，所以可以通过增加波长信道的数量来增加通信容量，这就是波分复用。

模分复用与波分复用相似，只是波长被另一种物理量的光波(导波模式)所代替，这为复用技术增加了一个维度，是一种提高通信容量的新方法徐克说。

他认为，随着带宽需求的快速增长，当波长资源饱和时，模分复用技术可以进一步提高光子芯片的带宽。

走向大规模集成

近年来，人们对通过模分复用技术提高光电子芯片的带宽做了大量的研究。然而，一个无法解决的关键问题是多模光波导的损耗和串扰。

"这使得模拟数字复用芯片不可能像集成电路一样大规模布线。"徐克说。

为了解决这个问题，研究小组设计了一种离散波导超结构，这是一种新的光子结构，看起来有点像二维码。通过优化算法，可以实现对光场的精细控制。

研究人员已经设计和制造了诸如模式(解复用器)、多模弯曲波导、波导交叉等关键器件。尺寸只有几微米，比传统器件小一个数量级，并且完全兼容标准的硅光流片技术。

传输波导可以在任意弯曲和交叉条件下保持高效率和低串扰信号传输。

三模复用和弯曲结构的显微照片；(b)模式多路复用和解复用设备的显微照片；亚波长超结构弯曲波导的扫描电镜照片；三模复用和交叉结构的显微照片；级联波导交叉器件的显微照片；亚波长超结构波导交叉器件的扫描电镜照片。

这种新的微米级多模器件使得在芯片上实现低损耗、低串扰(解复用)复用和模分复用信号的任意大规模互连成为可能，也为先进的光通信器件提供了新的技术选择。

近年来，全球光通信设备市场规模稳步增长，预计2020年年收入将达到166亿美元。中国约占30%的市场份额，但R&D和核心基础设备的制造能力相对较弱。

根据工业和信息化部发布的《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018-2022年）》，到2022年，中低端光电芯片的国产化率将超过60%，高端光电芯片的国产化率将超过20%。

“高端光电芯片一直是发达国家在布局上相互竞争的上游技术，而中国的本地化程度仍然很低。”徐克说。我们必须深刻认识到，我们必须突破关键核心芯片技术，摆脱“缺乏核心和灵魂”的困境。"