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APP | 南京邮电大学王永进教授团队:氮化镓通感一体化全光芯片
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光电子芯片网络采用光子实现芯片内的数据通信，是推动人工智能计算芯片算力跃迁、降低芯片能耗的核心技术。氮化镓半导体材料能够发光、探测光和调制光，是新一代光电子与微电子产业的重要战略支撑，适合大规模半导体工艺制备。氮化镓光电子芯片网络采用光子开展芯片内分布式计算，执行并发任务，具备高效信息共享和资源调度的能力，提升人工智能模型训练与推理效率，应用前景广阔，研究意义重大。
该论文基于量子阱二极管发光探测共存现象，采用硅基氮化镓晶圆，探索兼容制造工艺，在同一芯片上集成了光发射器、光波导、监视器/调制器以及光接收器，研制出硅基氮化镓通感一体化全光芯片。研究人员创建物质时空质能理论，提出在宇宙质能守恒、光速不变和等价性原则下，物体的能量、质量、时间、空间等物理量存在动态等价、互逆、全映射的转换关系。根据这一理论，研究人员利用量子阱二极管特有光发射和光接收功能互逆性，采用时分复用技术，实现单氮化镓光波导全双工通信，通信节点具备对称、去中心化和可切换的网络特征。在反向偏置或内建电场的作用下，集成在波导上的量子阱二极管可用作光调制器或光监视器，用于调制、感知波导内部的传输光。图1为该氮化镓通感一体化全光芯片的原理图。
图1 氮化镓通感一体化全光芯片原理图
该氮化镓通感一体化全光芯片波导上的片上监视器能够实时感知波导内光信号的传播变化，并将光信号转换为电信号；结合可编程电路对感知到的光信号进行提取与分析后，可利用反馈信息自动触发TDM通信过程，实现通信节点功能的动态调整。结合氮化镓光电子集成芯片与外围逻辑电路，团队提出氮化镓通感一体化全光系统，系统工作原理如图2所示。
图2 氮化镓通感一体化全光系统原理图。（a）单通道TDM双工片上光通信系统示意图；（b）智能感知系统示意图；（c）系统内部逻辑电路：（c1）TDM切换方案的内部逻辑电路，（c2）收发节点1的外围逻辑电路，（c3）收发节点2的外围逻辑电路。
实验中利用波导上的监视器触发TDM切换，在单一光通道上实现了视频与音频业务的双向自适应通信，不同系统单元随时间变化的实验状态如图3所示。系统首先由收发节点1发送视频信息，在收发节点2接收到实时视频，当收发节点1关闭时，监视器检测到波导内信号变化超出设定阈值，主处理单元自动切换系统的通信模式，使两节点收发角色互换并实现音频传输。实验结果表明，该系统能够在单一光路径上实现自适应双工通信，且由于紫外波段背景噪声低，通信过程不受室内环境光影响。此外，监视器器件还可作为光调制器使用，从而进一步拓展片上光子电路的功能，实现更加复杂的片上通信架构。该研究展示了一种多功能、可重构的氮化镓光子集成方案，为构建芯片级全光通感一体化系统提供了新的思路，并在未来片上光通信与光信息处理等应用领域展现出重要潜力。
图3 不同系统单元随时间变化的实验状态。（a）通信过程中各系统单元的工作状态；（b）视频业务（时隙1）中采集到的信号波形；（c）音频业务（时隙2）中采集到的信号波形。
团队介绍
南京邮电大学王永进教授领衔的全国高校黄大年式教师团队，依托国家“111计划”学科创新引智基地和江苏省氮化镓光电子集成国际合作联合实验室，长期致力于氮化镓光电子芯片及全光通信网络研究。王永进教授发现量子阱二极管发光探测共存现象，提出引力场造成非可逆过程，融合能带理论和非可逆过程阐明其物理机制，在一块氮化镓芯片上集成光发射、光波导、光调制和接收等器件，采用光子进行芯片内信息传输，攻克了长期以来光电子器件难以在同一材料上实现多功能集成的世界性难题，为实现芯片内部全光通信奠定了基础；融合不同波段的全双工光通信系统，集成图像识别和跟瞄对准技术，解决移动光通信动态光路对准难题，提出全双工移动光通信和全映射光通信理论公式，构建具有等势、去中心化特征的空天海地全光通信网络。研究成果在 Light-Sci Appl. 等期刊上发表学术论文 100 余篇，获授权美国发明专利 6 件、日本发明专利1件、中国发明专利 30 件，受到业界广泛关注，Optica 集团 2 次发来贺信，成果获 2019 年中国电子学会科学技术（自然科学）二等奖、2021年江苏省科学技术三等奖等。
文章信息
All-light sensing and communication system on chip
Ziqian Qi; Mingyuan Xie; Linning Wang; Xinjie Mo; Jiahao Gou; Jiayao Zhou; Pengzhan Liu; Jiabin Yan; Ziqi Ye; Yingze Liang; Xianwu Tang; Hongbo Zhu; Yongjin Wang
APL Photonics 10, 106115 (2025)
https://doi.org/10.1063/5.0291233
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期刊介绍
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