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图1 自校准集成宽带宽光子集成电路概念图
一项由莫纳什大学和皇家墨尔本理工大学主导的研究，发明了一种制造连接数据高速公路的先进光子集成电路方法，将彻底改变当前光学芯片的连接方式、并将以薄硅片取代笨重的3D光学器件。
此项研究发表于Nature Photonics上，有望推动全球人工智能的技术进步、推动一系列现实世界应用的出现。比如：
- 促使无人驾驶汽车更安全，使其能实时解读周围环境；
- 提高人工智能诊断医疗状况的速度；
- 进一步提升谷歌Homes、Alexa和Siri等应用的自然语言处理速度；
- 用于重新配置互联网交换的光网络交换机，以便在需要的地方更快地获取数据。
从观看日常电视节目、到维持卫星正常运行，光子学正在改变人类的生活方式。这种光子芯片能够将笨重的台式设备转化为指甲大小的芯片，同时保证其处理能力不减。
该项目的首席研究员、莫纳什大学澳大利亚研究理事会桂冠教授Arthur Lowery说，这一成果是对莫纳什大学Bill Corcoran博士此前研究的补充。Bill Corcoran博士在2020年与皇家墨尔本理工大学合作发明了一种新型光学微梳芯片，能够将相当于三倍整个澳大利亚国家宽带网络的流量压缩到一根光纤上，被认为是单个指甲盖大小芯片上所实现的最快互联网速度。
如果说光学微梳芯片组成了光网络高速公路的多条道路，那么这种自校准芯片就构成了连通所有道路的桥梁和进出匝道，从而实现更大的数据移动。
Lowery教授解释说：“我们已成功演示了一种自校准可编程光子滤波芯片，具有一个信号处理核心和一个用于自校准的参考路径。”
“自我校准意义重大，它能使可调谐光子集成电路成功应用于现实生活中。比如根据光波长将信号输送到目的地的光通信系统、快速相似度计算（相关器）、化学及生物分析的科学仪器、甚至应用于天文学领域。
“使用数字技术的电子信号领域曾经在无线电滤波器的稳定性方面实现了类似的突破，结果实现了多台手机共享同一块频谱。我们的光学芯片也能实现类似的架构，且能够以太赫兹带宽工作。”
这一突破已经酝酿了三年。
未来，自动驾驶汽车、远程控制采矿及医疗设备等基于互联网的新技术将需要更快、更大的带宽。带宽的增加不仅仅要求改进互联网传输所使用的光纤，还要求多种波长、多种方向的紧凑型开关，以便数据在多个信道中的同时传输。
“这项研究成果是一个重大突破。我们所发明的这种光子技术足够先进、甚至能将复杂的系统集成在一个芯片上。这种自校准芯片的问世标志着一项重大技术突破：一台设备对应一个片上参考系统、并且系统中所有部件都能作为一个整体工作。研究人员将能够通过快速重新配置传输互联网的光网络来解决互联网瓶颈问题，将数据送到最需要的地方。” 皇家墨尔本理工大学集成光子学及应用中心的Arnan Mitchell教授说。
光子电路能控制和路由光信道，同时也具备一定计算能力，比如模式搜索。模式搜索是医疗诊断、自动驾驶汽车、互联网安全、威胁识别及搜索算法等许多应用的基础。一种快速、可靠的对芯片重新编程的方法，能使新的模式搜索编程更加迅速、准确。然而，实现这一需求的制造工艺需要精确到纳米，不仅困难，而且成本高昂。而自我校准克服了这一问题。
这项研究的一个关键挑战是将所有的光学功能集成到一个能以“插入式”连接到现有基础设施的设备上。
“我们的解决方案是在制造完成后对芯片进行校准，通过使用芯片上的参考、而非外部设备来有效地调整芯片。” 澳大利亚研究理事会桂冠教授Lowery教授说。“我们利用因果关系之美——即结果必定事出有因，通过芯片路径的光学延迟与强度和波长之间存在一一对应关系来推导，这比精确的时间延迟更容易测量。我们添加了一个强参考路径到芯片中，并对其校准。这为我们提供了‘拨号上网’所需的所有设置，以及想要的开关功能或光谱响应。”
该方法是实现光子芯片实用化的关键步骤。研究人员不需要像调收音机那样慢慢搜寻，仅只需一步就能调好芯片，从而实现数据流从一个目的地到另一个目的地快速可靠地切换。
光子芯片的可靠调谐带来了许多其他应用，比如光学相关器。光学相关器几乎能瞬间发现数据流中的数据模式（如图像等），这也是该团队一直在研究的问题。
“随着研究人员把越来越多的台式设备功能集成到指甲大小的芯片上，让这些设备统一工作、以更快的速度实现更繁琐的功能变得尤为困难。”阿德莱德大学的Andy Boes博士说。“而我们克服了这一挑战，制造出了一个可实现自我校准的“聪明”芯片，这样所有组件都能以其所需的速度运行、并最终实现统一。”
文章见：Xingyuan Xu et al, Self-calibrating programmable photonic integrated circuits, Nature Photonics (2022). DOI: 10.1038/s41566-022-01020-z。
