可編程集成光電子技術(shù)在經(jīng)典場景中的應(yīng)用

逍遙設(shè)計(jì)自動化

引言可編程集成光電子技術(shù)（PIP）能夠在芯片上重新配置光學(xué)線路，使單個(gè)光電子集成芯片（PIC）能夠執(zhí)行多種功能。本文概述PIP如何應(yīng)用于光電子技術(shù)和微波光子學(xué)中的幾個(gè)經(jīng)典應(yīng)用。
( C6 o5 l: q: M光學(xué)交換和路由PIP的關(guān)鍵應(yīng)用是長距離通信和短距離數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)交換和路由。核心構(gòu)建模塊是2x2交換單元，可以使用馬赫-曾德干涉儀（MZI）或微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
0 A8 z: T0 _( _# G6 D圖1顯示了2x2交換單元實(shí)現(xiàn)和交換結(jié)構(gòu)拓?fù)涞囊恍├�子。三角形交叉點(diǎn)拓?fù)洌▓D1c）提供非阻塞操作，但擴(kuò)展性較差。Spanke-Benes拓?fù)洌▓D1d）減少了開關(guān)數(shù)量，但僅可重新排列非阻塞。PILOSS拓?fù)洌▓D1e）重新獲得嚴(yán)格的非阻塞，同時(shí)保持良好的可擴(kuò)展性。
8 ]; g# x- O) l" W9 m& b
. B1 r# U% f% ?4 o6 [$ j  u圖1
/ J: S( p/ v2 S1 ?" b* k已經(jīng)使用PIP演示了幾種大規(guī)模交換結(jié)構(gòu)，包括具有1024個(gè)MZI單元的32x32 PILOSS交換機(jī)（圖2d）和具有144個(gè)MZI單元的32x32 Benes拓?fù)浣粨Q機(jī)（圖2e）。這些展示了PIP實(shí)現(xiàn)大規(guī)�？芍貥�(gòu)光學(xué)交換的潛力。


" A: a! g' }/ w5 }5 c0 V  Q圖2
/ {8 L3 ~3 C+ U6 q% d: V  T
! ^5 t! m2 V4 X; a人工智能和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算PIP為在光學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）提供了平臺。圖3顯示了人工神經(jīng)元的基本結(jié)構(gòu)和不同的ANN架構(gòu)。關(guān)鍵挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元之間的加權(quán)連接。
" D1 p; R3 L2 }& Q; t, k2 x6 u0 |7 j, l
圖3
一種方法是圖4所示的廣播和加權(quán)方案。這里，使用波分復(fù)用來實(shí)現(xiàn)多個(gè)加權(quán)連接，可調(diào)諧微環(huán)諧振器（MRR）組提供可重構(gòu)權(quán)重。

圖4
! D, x' T( T. R- t% [
9 X$ i4 w! z+ p0 L% [' s另一種方法使用多端口干涉儀架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)前饋ANN，如圖5所示。這允許在輸入和輸出之間編程任意線性變換。
8 M8 X! T2 r! @- _+ e" j0 h- s

' |7 X+ R0 Q! m& X( `圖5
微波光子技術(shù)PIP使得在單個(gè)芯片上靈活實(shí)現(xiàn)各種微波光子技術(shù)功能，圖6顯示了通用光子處理器架構(gòu)，可以重新配置用于不同的微波光子應(yīng)用。
8 O$ _* ~" [* [. s" b" h8 d5 s6 n
圖6
一些關(guān)鍵應(yīng)用包括：1. 真時(shí)延線：這些對波束成形和濾波應(yīng)用很重要。圖7顯示了如何使用可重構(gòu)核心實(shí)現(xiàn)級聯(lián)光學(xué)環(huán)形諧振器或單獨(dú)載波調(diào)諧技術(shù)。
. j" F, a$ c: c- W7 V: [1 T( m/ s
7 D* |" Z' N# A: N+ V, Y9 p圖7
; O) F; ^( R: Y2 a" }2. RF濾波器：圖8演示了如何使用自同相配置中的級聯(lián)環(huán)形諧振器實(shí)現(xiàn)6階RF光子濾波器。

/ y8 m$ E: l: V: t& A圖8
3. 微波/毫米波生成：圖9說明了如何實(shí)現(xiàn)外部調(diào)制器和光電振蕩器方法來生成高頻RF信號。
0 k, n  B" ?; |! S" V9 G6 V. g$ U6 n
圖9
4. RF混頻：圖10顯示了使用兩個(gè)級聯(lián)調(diào)制器進(jìn)行RF上/下變頻的配置。
( U) h/ Q$ M0 v7 b( o8 u
+ K$ t' w' V, i" S8 `3 a0 E圖10
! i8 e: n* `* G1 E3 P. `4 v5. 波束成形網(wǎng)絡(luò)：圖11描繪了如何對離散光學(xué)延遲線進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)相控陣天線饋電。

圖11
- f- K5 m5 @# ^: Q6. 瞬時(shí)頻率測量：圖12演示了用于測量未知RF頻率的幅度比較函數(shù)方法。
" A" }7 [+ ^# E
! Y6 @  y/ c  v5 Y圖12
PIP提供的可重構(gòu)性允許單個(gè)芯片被重新編程用于這些不同的應(yīng)用，與專用光電子集成芯片相比提供了高度的靈活性。
光學(xué)信號處理PIP還能靈活實(shí)現(xiàn)各種光學(xué)信號處理功能：1. 模式轉(zhuǎn)換：圖13顯示了一個(gè)4x4通用線性光學(xué)線路，可以在輸入和輸出之間執(zhí)行任意模式轉(zhuǎn)換。
3 W' [; G, b- Z  w
1 i5 r( }" V0 E8 N& e$ L* o$ Z; f圖13
該芯片由一個(gè)熱可調(diào)MZI網(wǎng)絡(luò)組成，具有用于反饋控制的集成功率監(jiān)視器。圖14演示了其作為4x4交換矩陣的操作。
7 }; d9 a0 \& E
6 R8 ]& v. }; J& m5 u7 X' S% X" C圖14
3 S) W9 b$ N6 ^; {2. 模式解擾：圖15說明了基于三角多端口干涉儀架構(gòu)的4x4模式解擾器，包含透明非接觸集成光子探針（CLIPP）檢測器，用于監(jiān)控和控制。
: F- P* M; g6 t1 V4 ]4 n: q
2 l- I3 P, w: G( p! [( M- L圖15
圖16顯示了用于演示在多模波導(dǎo)中混合后解擾四個(gè)10 Gb/s數(shù)據(jù)流的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。

圖16
2 O1 h% Y8 S$ v( ^8 G: c( s主要優(yōu)勢和挑戰(zhàn)PIP在經(jīng)典應(yīng)用中的主要優(yōu)勢包括：

可重構(gòu)性：單個(gè)芯片可以重新編程用于多種功能，降低成本并提高靈活性。

可擴(kuò)展性：已經(jīng)展示了具有數(shù)百個(gè)可調(diào)元件的大規(guī)模線路。

集成：多種功能可以組合在單個(gè)芯片上，減少尺寸、重量和功耗。

帶寬：光子實(shí)現(xiàn)可以處理比電子對應(yīng)物高得多的帶寬。[/ol]
然而，也存在一些挑戰(zhàn)：

損耗：可重構(gòu)線路通常比固定線路具有更高的損耗，這可能影響整體系統(tǒng)性能。

控制復(fù)雜性：大規(guī)模PIC需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)來編程和穩(wěn)定所有可調(diào)元件。

精度：實(shí)現(xiàn)光學(xué)相位和幅度的高精度控制仍然具有挑戰(zhàn)性。

非線性效應(yīng)：在光學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)神經(jīng)元激活函數(shù)等非線性功能仍然困難。
1 C* H( I+ m; h# ?7 F" f, x' s[/ol]
未來展望PIP是快速發(fā)展的領(lǐng)域，對革新經(jīng)典光學(xué)和微波光子應(yīng)用具有巨大潛力。有前景的未來方向包括：

改進(jìn)的調(diào)諧機(jī)制：具有更低功耗、更高速度和更好精度的新型調(diào)諧方法。

先進(jìn)的控制技術(shù)：用于大規(guī)模PIC自動配置和穩(wěn)定的機(jī)器學(xué)習(xí)方法。

異質(zhì)集成：結(jié)合不同材料平臺以利用它們各自的優(yōu)勢。

非線性效應(yīng)：結(jié)合非線性光學(xué)效應(yīng)以擴(kuò)大可實(shí)現(xiàn)功能的范圍。

量子應(yīng)用：將PIP概念擴(kuò)展到量子信息處理。
[/ol]
隨著PIP技術(shù)的成熟，可以期待看到更復(fù)雜的片上系統(tǒng)，將多個(gè)經(jīng)典和潛在的量子功能組合在單個(gè)可重編程光子處理器上。這將使通信、傳感和計(jì)算領(lǐng)域中以前用固定光子或電子線路無法實(shí)現(xiàn)的新應(yīng)用成為可能。
參考文獻(xiàn)[1]J. Capmany and D. Pérez, "Programmable Integrated Photonics," Oxford University Press, 2020.

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