麥姆斯咨詢獲悉，近日，華中科技大學(xué)張敏明教授、鄭爽副教授研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合西班牙瓦倫西亞理工大學(xué)José Capmany教授，提出了一種基于可重構(gòu)六邊形網(wǎng)格、支持波分復(fù)用（WDM）的多核并行可編程光子處理器（OFPPA）。這項(xiàng)研究工作首次將波長(zhǎng)維度引入二維可編程光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)——其采用集成了過(guò)耦合微環(huán)諧振器的MZI作為波長(zhǎng)選擇性移相器；利用急劇的相位躍變特性，這些單元實(shí)現(xiàn)了1 THz的自由光譜范圍和4.3 mW/π的調(diào)諧功耗。
通過(guò)協(xié)同整合空間和波長(zhǎng)自由度，該可編程光子處理器允許單個(gè)網(wǎng)格同時(shí)承載不同的網(wǎng)絡(luò)配置，從而實(shí)現(xiàn)多線程執(zhí)行并提升功能密度；這一特性已經(jīng)通過(guò)靈活柵格WDM、并行光計(jì)算及微波光子雙波束成形等應(yīng)用得到了驗(yàn)證。這項(xiàng)研究工作確立了支持WDM的處理技術(shù)作為通向大規(guī)模、高并行集成光子系統(tǒng)的一條極具前景的途徑。上述研究成果以“WDM-enabled multi-core parallel programmable photonic signal processor”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。
注：華中科技大學(xué)張敏明、鄭爽團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于算力互連光電融合芯片、硅基異質(zhì)集成技術(shù)、芯片智能化設(shè)計(jì)等方向的研究，承擔(dān)了系列國(guó)家重點(diǎn)重大項(xiàng)目和課題，在Nature Communications、Light: Science and Applications等高水平期刊及國(guó)際會(huì)議上發(fā)表了系列重要成果。
在人工智能（AI）、大規(guī)模數(shù)據(jù)中心和高速光通信等領(lǐng)域，傳統(tǒng)的電子處理器正面臨時(shí)鐘速度、熱耗散和帶寬等物理極限。可編程光子處理器利用光子的高速低時(shí)延特性，成為潛在關(guān)鍵解決方案。類(lèi)比電學(xué)現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA），可編程光子處理陣列可在同一套光子硬件上動(dòng)態(tài)重構(gòu)實(shí)現(xiàn)多樣化光信號(hào)處理功能，大幅降低專用光子集成芯片的開(kāi)發(fā)周期與流片成本。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)致力于開(kāi)發(fā)更大規(guī)模可編程陣列芯片，支持更強(qiáng)大的光信號(hào)處理，例如光計(jì)算、光交換、光路由、WDM濾波等。然而，現(xiàn)有的芯片方案普遍基于可調(diào)MZI的可編程光網(wǎng)格架構(gòu)，所有波長(zhǎng)通道共享相同的網(wǎng)絡(luò)配置，難以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)維度的獨(dú)立配置，極大限制了光芯片并行處理能力。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了利用MRR-MZI復(fù)合結(jié)構(gòu)作為基本單元，通過(guò)在MZI兩臂集成過(guò)耦合熱光可調(diào)微環(huán)諧振器，在六邊形二維可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了空間維度與波長(zhǎng)維度的協(xié)同復(fù)用，波長(zhǎng)維度的引入使同一物理芯片在不同波長(zhǎng)下可同時(shí)構(gòu)建不同的光子網(wǎng)絡(luò)，顯著提升了芯片并行處理能力。實(shí)驗(yàn)測(cè)得自由光譜范圍提升至8 nm（1 THz），調(diào)諧功耗降至4.3 mW/π，比傳統(tǒng)的MZI單元近一個(gè)數(shù)量級(jí)的提升,芯片功能密度達(dá)169.6/mm2。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)三類(lèi)典型應(yīng)用驗(yàn)證了該架構(gòu)的通用性：配置為可調(diào)諧帶阻濾波器實(shí)現(xiàn)30 dB以上消光比；在同一物理網(wǎng)格上對(duì)兩個(gè)不同波長(zhǎng)同時(shí)執(zhí)行完全不同的矩陣運(yùn)算；構(gòu)建雙波束可調(diào)諧光延遲網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)微波光子雙波束形成。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分展示了該芯片架構(gòu)的多功能并行處理能力，為片上可編程光處理系統(tǒng)在光通信、光子計(jì)算和雷達(dá)信號(hào)處理等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的重要路線。
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https://doi.org/10.1038/s41467-026-75557-w
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