集成光延遲線技術(shù)的發(fā)展與展望

光子的物理性質(zhì)決定了光信號(hào)不能像電子信號(hào)那樣直接存儲(chǔ)在介質(zhì)中。數(shù)據(jù)緩存是光通信網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)關(guān)鍵模塊，現(xiàn)有針對(duì)數(shù)據(jù)緩存以及同步功能的光學(xué)系統(tǒng)均是通過(guò)各種可調(diào)光學(xué)延遲線（一種能夠改變光程的裝置）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

集成光子學(xué)的進(jìn)步推動(dòng)了光延遲線往小型化發(fā)展，出現(xiàn)了集成光延遲線(Integrated Optical Delay Line，IODL)。在集成芯片中，光延遲線可以方便地與其他功能器件（如調(diào)制器，濾波器，激光器和光電二極管）相結(jié)合，提供比單元器件更強(qiáng)大的光學(xué)和微波處理能力，提高了其在穩(wěn)定性、調(diào)諧速度和功耗等方面的性能。

《Chinese Optics Letters 》近期發(fā)表的綜述文章“Integrated optical delay lines: a review and perspective”，著重介紹了集成光學(xué)延遲線的代表性結(jié)構(gòu)，并對(duì)關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行介紹，體現(xiàn)了集成光延遲線的多樣性和靈活性。

IODL結(jié)構(gòu)

IODL的實(shí)現(xiàn)方案多種多樣，例如使用單個(gè)或級(jí)聯(lián)的微環(huán)諧振器、波導(dǎo)光柵、光子晶體、多路徑可重構(gòu)延遲網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)回路等結(jié)構(gòu)。光延遲量的調(diào)節(jié)可以通過(guò)改變波導(dǎo)的群折射率或改變光學(xué)路徑的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 基于多路徑可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與微環(huán)諧振器的連續(xù)可調(diào)延遲線結(jié)構(gòu)

IODL的選擇

不同的集成光延遲線各有利弊，選擇時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)際需求選擇合適的方案。在各種光延遲線結(jié)構(gòu)中，微環(huán)諧振器可以實(shí)現(xiàn)窄帶連續(xù)可調(diào)的光延遲。單個(gè)微環(huán)諧振器的延遲量會(huì)受其固有延遲帶寬積的限制，若將多個(gè)諧振器級(jí)聯(lián)可以增加延遲帶寬積，但同時(shí)也會(huì)使得插入損耗顯著增加。光柵和光子晶體與微環(huán)諧振器具有相似的延遲特性，其帶寬和延遲量則與腔的尺寸和耦合強(qiáng)度等因素相關(guān)，它們比微環(huán)諧振器具有更高的存儲(chǔ)密度，對(duì)制造工藝精度的要求也更高。多路徑可重構(gòu)延遲網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)大范圍大寬帶的延遲調(diào)節(jié)，但是其開(kāi)關(guān)的配置需要更加復(fù)雜的控制電路。與基于光纖的可重構(gòu)延遲線相比，這些集成芯片中的延遲量可以通過(guò)計(jì)算波導(dǎo)長(zhǎng)度來(lái)精確確定。為了實(shí)現(xiàn)光延遲量的連續(xù)大范圍可調(diào)，可以將級(jí)聯(lián)微環(huán)諧振器與可重構(gòu)延遲網(wǎng)絡(luò)二者相結(jié)合。

波長(zhǎng)選擇性延遲線使用無(wú)源波分復(fù)用器件而非開(kāi)關(guān)來(lái)獲得不同延遲。循環(huán)回路結(jié)構(gòu)可以通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)量的大小，使用相對(duì)較短的波導(dǎo)長(zhǎng)度即可實(shí)現(xiàn)較大的延遲量。這些延遲調(diào)諧通常是基于熱光效應(yīng)或自由載流子色散效應(yīng)。前者可以實(shí)現(xiàn)較大的調(diào)諧范圍，但響應(yīng)時(shí)間約為微秒量級(jí)。后者具有較小的調(diào)諧范圍，且總是伴隨著自由載流子吸收損耗，但其響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到納秒量級(jí)。

IODL參數(shù)優(yōu)化

延遲線結(jié)構(gòu)的選擇和優(yōu)化需要考慮實(shí)際應(yīng)用要求，并對(duì)最關(guān)鍵的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。如要實(shí)現(xiàn)大的延遲量，初步要求便是波導(dǎo)的損耗要低。此外還有幾對(duì)設(shè)計(jì)中需要權(quán)衡考慮互相制約的性能，比如說(shuō)帶寬和最大延遲量，集成密度和損耗，延遲調(diào)諧范圍和分辨率等等。硅基光子器件具有比傳統(tǒng)光電器件更高的集成度、可嵌入更多功能、更低功耗和更高的可靠性等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。此外，可重構(gòu)光學(xué)延遲線與微環(huán)諧振器的組合為提供大范圍連續(xù)可調(diào)延遲提供了更多可能性，這種將多個(gè)光子器件與控制電路集成在一個(gè)芯片中的技術(shù)已成為一種趨勢(shì)，可用以實(shí)現(xiàn)更加強(qiáng)大的光學(xué)或電學(xué)信號(hào)處理能力。

IODL應(yīng)用

光延遲線在微波光子領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，比如光控相控陣?yán)走_(dá)、微波光子濾波器等。利用光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的光控相控陣?yán)走_(dá)中的相移器單元采用可調(diào)光延遲線，并對(duì)其調(diào)節(jié)范圍和精度提出了較高的要求，可以克服電子移相器帶寬有限造成的孔徑渡越現(xiàn)象，是新體制雷達(dá)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

此外，光延遲線還應(yīng)用在光信號(hào)同步與緩存、波束成形和調(diào)控、光學(xué)相干斷層掃描、時(shí)分復(fù)用、構(gòu)建集成光學(xué)陀螺儀等領(lǐng)域，具有很大的應(yīng)用潛力。

圖2 集成光延遲線芯片及其多樣化應(yīng)用