可編程集成光電子技術(shù)在經(jīng)典場(chǎng)景中的應(yīng)用

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)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。
! ?, L5 C$ a7 K- `) S$ c光學(xué)交換和路由PIP的關(guān)鍵應(yīng)用是長(zhǎng)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)。
4 O9 V% P) F2 x+ ~! B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。
) F# [  R: ?" P! y
圖1
3 N. X+ v, G. K- m+ x7 a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。
% ~+ t4 d8 P$ v6 ^! w3 _

圖2
6 k+ v- x& u+ a) T7 O
6 h' }( J3 X; P$ ^1 I' h0 M, e! S: W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(tái)。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。
0 G) m: j+ w+ t' c5 z9 d7 ]
圖3
" H1 U5 ~# v$ ]9 @" i9 R8 S) y* v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。
" N7 E  q+ Q$ `3 S. o$ Q
圖4
& H5 Z4 M7 }) y) e0 u* h
+ l+ ^/ ]  l) p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。
9 Q. c. k* l" y9 k

/ x+ a" I/ T6 G: H9 u7 d圖5
; b1 E1 D2 D( j3 x- `* g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。

( @! {& G% a8 `2 b8 S! X; t! K圖6
一些關(guān)鍵應(yīng)用包括：1. 真時(shí)延線：這些對(duì)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(jí)聯(lián)光學(xué)環(huán)形諧振器或單獨(dú)載波調(diào)諧技術(shù)。

3 b9 O' V* r6 ]( I) r圖7
2. RF濾波器：圖8演示了如何使用自同相配置中的級(jí)聯(lián)環(huán)形諧振器實(shí)現(xiàn)6階RF光子濾波器。

, v4 ]# @+ A9 I圖8
+ S) ~3 C$ t! ]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(hào)。

圖9
0 }/ j2 O2 s; n8 w. U7 a5 t/ k4. RF混頻：圖10顯示了使用兩個(gè)級(jí)聯(lián)調(diào)制器進(jìn)行RF上/下變頻的配置。
) p$ g) D! O( l5 ~& `1 L5 D
圖10
5. 波束成形網(wǎng)絡(luò)：圖11描繪了如何對(duì)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。
5 y6 t* L) V& w
# C' z# x- F( c2 A8 a2 R圖11
6 T; K: S: c& A2 N- A6. 瞬時(shí)頻率測(cè)量：圖12演示了用于測(cè)量未知RF頻率的幅度比較函數(shù)方法。

% v3 c: |4 y1 l3 Q/ m# ~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。
; |' b7 j( |+ X, ^) ~$ n- A光學(xué)信號(hào)處理PIP還能靈活實(shí)現(xiàn)各種光學(xué)信號(hào)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。
9 e. _; c7 G3 n7 T- K: d. h
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。

# d1 F+ |7 c: G8 l$ z  N圖14
. n! H$ m8 c$ P' C2. 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(cè)器，用于監(jiān)控和控制。
: U; Y4 _, C: y- \
+ H# F! J8 I& l% \6 [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。
: a" H1 ^6 R! J$ D2 C) Y5 p
圖16
主要優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)PIP在經(jīng)典應(yīng)用中的主要優(yōu)勢(shì)包括：

可重構(gòu)性：?jiǎn)蝹�(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(duì)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。
2 K3 S) {4 c/ ]9 G0 R[/ol]
未來展望PIP是快速發(fā)展的領(lǐng)域，對(duì)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(dòng)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(tái)以利用它們各自的優(yōu)勢(shì)。

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。
# d$ z! w( h6 ~0 {[/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.
% V& `* @7 u& k2 o! I
- END -

軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)
) B$ t# @6 v) p# W6 i! p5 a# R8 n
歡迎轉(zhuǎn)載
' ^3 l# e8 y$ j8 \/ d
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！





5 \( C7 W3 L1 ]( C7 q關(guān)注我們
* @! V/ \- w; r0 n& S! k

; G) h5 u- i2 |* v

/ [! O- C; m/ y0 Y; m& Z

                     
5 ~! z" w: J* E* ?* m
) T* k7 w! I  T! l9 ~' E# V( b( }& t% j
  e, U  i) h4 K4 T) ^9 S
關(guān)于我們：
深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。

  C4 ]5 U8 ~9 T# zhttp://www.latitudeda.com/
（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）