В эпоху стремительного роста цифровых данных и перехода к оптическим коммуникациям традиционные методы обработки сигналов сталкиваются с острейшими проблемами, связанными с пропускной способностью и энергопотреблением. Усиление технических барьеров обусловлено необходимостью конвертации оптических данных в электрическую форму для обработки, что порождает задержки, увеличивает энергопотребление и повышает стоимость систем. В этой связи значительный интерес вызывает технология полностью оптической обработки сигналов — all-optical signal processing (AOSP), которая позволяет манипулировать, восстанавливать и вычислять информацию непосредственно в оптической среде без промежуточных электронных преобразований. Центральным элементом развития AOSP являются интегрированные фотонные чипы на базе кремния, которые благодаря своей совместимости с CMOS-технологиями, компактности и высоким нелинейным оптическим характеристикам предоставляют непревзойденную платформу для создания высокопроизводительных и многофункциональных устройств. Кремний в качестве материала для фотоники обладает рядом уникальных преимуществ.
Его высокая диэлектрическая проницаемость обеспечивает сильное локальное запирание света в волноводах, что значительно усиливает электромагнитное взаимодействие и повышает эффективность нелинейных процессов. Платформа на основе кремния позволяет создавать устройства с очень малыми потерями, достигая значений менее 0,2 дБ/см, а высокие качества микрорезонаторов достигают порядков 10^6, что значительно улучшает селективность и эффективность оптических фильтров. Благодаря этим важным характеристикам кремниевые платформы способствуют реализации устройств с широким спектром функциональных возможностей: фильтрацией с настраиваемыми параметрами, высокоскоростными логическими операциями, амплитудной и фазовой регенерацией, а также возможностями масштабируемой многоадресной обработки сигналов. Одной из ключевых проблем при использовании кремния в AOSP является относительно слабая третьего порядка нелинейность, требующая усиления взаимодействия света с веществом. Для решения этой задачи применяются инновационные структурные и материаловые решения.
Например, использование риджевых и слотовых волноводов с продуманной геометрией позволяет сфокусировать свет в ультракомпактных областях с минимальными потерями и улучшенной эффективностью нелинейных эффектов. Особое значение приобретает имплантация PIN-структур с обратным смещением, которая способствует быстрому очищению свободных носителей, образующихся вследствие двухфотонного поглощения, тем самым повышая нелинейную производительность без увеличения поглощения и деградации сигнала. Параллельно развивается применение паритетно-временных (PT) симметричных двойных микрорезонаторов, которые эффективно устраняют компромисс между добротностью резонатора и пропускной полосой, обеспечивая одновременно высокую эффективность нелинейного взаимодействия и широкую полосу пропускания устройства. Высокоточные и программируемые фильтры на базе микрорезонаторов становятся фундаментальными компонентами для гибких оптических сетей с поддержкой динамического распределения спектра. Современные решения позволяют регулировать ширину полосы пропускания в диапазоне от нескольких сотен мегагерц до десятков гигагерц, а также изменять свободный спектральный интервал (FSR) оптических резонаторов при помощи комплексных схем с каскадированными интерференционными элементами и переключателями.
Такая адаптивность открывает пути для реализации эффективных и масштабируемых сетевых архитектур, способных оптимизировать использование ресурсов и повысить пропускную способность систем передачи данных. Логические операции в оптическом домене, основанные на эффектах четырехволнового смешивания и перекрестной фазовой модуляции, игнорируют узкие места электрооптической обработки и достигают рекордных скоростей до сотен гигабит в секунду. Программируемые логические массивы (PLA), интегрированные прямо в кремниевые платформы, формируют полный набор элементарных логических минтермов, позволяя формировать по требованию любые сложные логические функции. При этом внедрение высоконелинейных полимеров в область слотовых волноводов обеспечивает дополнительное усиление взаимодействия электромагнитных полей с материалом, снижая пороговые мощности и повышая качество оптических вычислений. Одной из наиболее перспективных областей применения силиконовых AOSP-чипов является многомерная регенерация сигналов.
От амплитудной и фазовой регенерации с использованием интегрированных частотных гребенок до многоуровневых фазовых квантований — все это ведет к существенному повышению качества и дальности передачи данных без преобразования оптик-электрон. В комбинации с многоуровневым модуляционным форматом QPSK и использованием деления по пространственным модам (MDM), такие решения позволяют масштабировать емкость каналов, сохраняя отличное качество восстанавливаемых сигналов. Многофункциональность и высокая плотность интеграции — нефти на современном этапе развития программируемых кремниевых фотонных устройств. Чипы, содержащие сотни активных и пассивных компонентов, сочетающие фильтры, логические блоки и регенераторы, позволяют реализовывать масштабируемые и интеллектуальные маршрутизаторы оптических сигналов. Однако интеграция столь сложных функций требует продвинутых решений для снижения оптических, электрических и тепловых наводок.
Передовые методы пакетирования, в том числе применение сверхкомпактных метаматериалов в оптических переходных элементах, улучшенный тепловой менеджмент и многоуровневая электрическая разводка, играют ключевую роль для стабильной и эффективной работы систем. Формирование устойчивых и масштабируемых платформ для all-optical signal processing на силиконовой основе открывает перспективы выхода за пределы традиционных телекоммуникаций. Потенциал применения распространяется на квантовые вычисления, нейроморфные системы, сверхбыстродействующие вычислительные платформы и высокоточное сенсорное оборудование. Ультрабыстрые нелинейные процессы в комбинации с программируемой архитектурой создают фундамент для гибких и адаптивных оптических вычислительных систем. Сегодняшние достижения в снижении потерь, повышении качественных характеристик микрорезонаторов, разработке расширяемых и перенастраиваемых оптических фильтров и регенераторов сменяют более чем сорокалетнюю историю развития технологий, переходя к этапу массового промышленного внедрения.
Появление кремниевых технологий фотоники вкупе с инновационными материалами и архитектурами позволяет создать новое поколение интегрированных оптических процессоров, готовых заменить или кардинально улучшить современные электронно-оптические решения. В перспективе дальнейшее усовершенствование методов нанофабрикации, расширение спектра используемых материалов, а также интеграция с электроникой и квантовыми технологиями обеспечат возрастание скорости, мощности и гибкости AOSP-чипов. Таким образом, создание силиконовых программируемых и реконфигурируемых полностью оптических процессоров станет краеугольным камнем будущих поколений телекоммуникационных, вычислительных и сенсорных систем с исключительными характеристиками и широкими возможностями адаптации.
