集成光延迟线技术的发展与展望

光子的物理性质决定了光信号不能像电子信号那样直接存储在介质中。数据缓存是光通信网络中的一个关键模块，现有针对数据缓存以及同步功能的光学系统均是通过各种可调光学延迟线（一种能够改变光程的装置）来实现的。

集成光子学的进步推动了光延迟线往小型化发展，出现了集成光延迟线(Integrated Optical Delay Line，IODL)。在集成芯片中，光延迟线可以方便地与其他功能器件（如调制器，滤波器，激光器和光电二极管）相结合，提供比单元器件更强大的光学和微波处理能力，提高了其在稳定性、调谐速度和功耗等方面的性能。

《Chinese Optics Letters 》近期发表的综述文章“Integrated optical delay lines: a review and perspective”，着重介绍了集成光学延迟线的代表性结构，并对关键性技术进行介绍，体现了集成光延迟线的多样性和灵活性。

IODL结构

IODL的实现方案多种多样，例如使用单个或级联的微环谐振器、波导光栅、光子晶体、多路径可重构延迟网络、循环回路等结构。光延迟量的调节可以通过改变波导的群折射率或改变光学路径的长度来实现。

图1 基于多路径可重构网络与微环谐振器的连续可调延迟线结构

IODL的选择

不同的集成光延迟线各有利弊，选择时应结合实际需求选择合适的方案。在各种光延迟线结构中，微环谐振器可以实现窄带连续可调的光延迟。单个微环谐振器的延迟量会受其固有延迟带宽积的限制，若将多个谐振器级联可以增加延迟带宽积，但同时也会使得插入损耗显著增加。光栅和光子晶体与微环谐振器具有相似的延迟特性，其带宽和延迟量则与腔的尺寸和耦合强度等因素相关，它们比微环谐振器具有更高的存储密度，对制造工艺精度的要求也更高。多路径可重构延迟网络可以实现大范围大宽带的延迟调节，但是其开关的配置需要更加复杂的控制电路。与基于光纤的可重构延迟线相比，这些集成芯片中的延迟量可以通过计算波导长度来精确确定。为了实现光延迟量的连续大范围可调，可以将级联微环谐振器与可重构延迟网络二者相结合。

波长选择性延迟线使用无源波分复用器件而非开关来获得不同延迟。循环回路结构可以通过调节循环量的大小，使用相对较短的波导长度即可实现较大的延迟量。这些延迟调谐通常是基于热光效应或自由载流子色散效应。前者可以实现较大的调谐范围，但响应时间约为微秒量级。后者具有较小的调谐范围，且总是伴随着自由载流子吸收损耗，但其响应时间可以达到纳秒量级。

IODL参数优化

延迟线结构的选择和优化需要考虑实际应用要求，并对最关键的参数进行优化。如要实现大的延迟量，初步要求便是波导的损耗要低。此外还有几对设计中需要权衡考虑互相制约的性能，比如说带宽和最大延迟量，集成密度和损耗，延迟调谐范围和分辨率等等。硅基光子器件具有比传统光电器件更高的集成度、可嵌入更多功能、更低功耗和更高的可靠性等技术优势。此外，可重构光学延迟线与微环谐振器的组合为提供大范围连续可调延迟提供了更多可能性，这种将多个光子器件与控制电路集成在一个芯片中的技术已成为一种趋势，可用以实现更加强大的光学或电学信号处理能力。

IODL应用

光延迟线在微波光子领域有广泛应用，比如光控相控阵雷达、微波光子滤波器等。利用光学系统实现的光控相控阵雷达中的相移器单元采用可调光延迟线，并对其调节范围和精度提出了较高的要求，可以克服电子移相器带宽有限造成的孔径渡越现象，是新体制雷达中的关键技术之一。

此外，光延迟线还应用在光信号同步与缓存、波束成形和调控、光学相干断层扫描、时分复用、构建集成光学陀螺仪等领域，具有很大的应用潜力。

图2 集成光延迟线芯片及其多样化应用