可編程集成光電子技術(shù)概述

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
2 q* K- B3 V6 k3 k9 b3 }8 H/ v& J可編程集成光電子技術(shù)（PIP）是新興領(lǐng)域，旨在創(chuàng)建可在芯片上重新配置的光電子線路[1]。類似于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）革新電子電路設(shè)計(jì)，PIP實(shí)現(xiàn)靈活且可適應(yīng)的光電子集成芯片（PIC），可以針對(duì)不同應(yīng)用進(jìn)行重新編程。本文概述PIP的關(guān)鍵概念、技術(shù)和應(yīng)用。
5 W# n8 p0 P) V8 y7 g0 r4 U" K1 a核心概念：波導(dǎo)網(wǎng)格PIP的核心是波導(dǎo)網(wǎng)格的概念 - 可動(dòng)態(tài)重構(gòu)的2D互連光波導(dǎo)陣列�；�本構(gòu)建塊是可調(diào)諧基本單元（TBU），由兩個(gè)通過可調(diào)諧元件（如馬赫-曾德干涉儀（MZI））耦合的波導(dǎo)組成。通過控制每個(gè)TBU的耦合比和相位，光可以以任意方式通過網(wǎng)格路由，以實(shí)現(xiàn)不同的線路拓?fù)洹?font class="jammer">3 b0 ~# H" L7 ^* J7 K# O( C
圖1顯示不同波導(dǎo)網(wǎng)格排列的示例，包括三角形、矩形、正方形和六邊形拓?fù)�。六邊形網(wǎng)格為實(shí)現(xiàn)前饋和反饋光路提供了最大的靈活性。

圖1圖2說(shuō)明了六邊形單元的結(jié)構(gòu)和TBU的不同操作模式。每個(gè)TBU可以被編程為交叉開關(guān)、直通開關(guān)或可調(diào)諧耦合器。
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/ [+ K0 h  n2 [圖2

制造技術(shù)PIP電路可以使用與傳統(tǒng)PIC相同的材料平臺(tái)制造。三個(gè)主要選項(xiàng)是：1.磷化銦（InP）：提供有源和無(wú)源組件的單片集成，但損耗較高。2.絕緣體上硅（SOI）：利用CMOS制造工藝，實(shí)現(xiàn)高密度集成，但缺乏原生光源。3.氮化硅（Si3N4）：提供非常低的傳播損耗，但需要有源組件的混合集成。
" b: D$ V9 t; Y" s圖3顯示了這三個(gè)平臺(tái)典型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的橫截面。
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圖3幾個(gè)PIP電路的實(shí)驗(yàn)演示。圖4和5分別顯示了在硅和氮化硅中制造的芯片示例。

& _! p1 X& m, p8 _圖4
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& h  [7 ~; p# {+ A, w圖5編程PIP線路PIP的真正威力在于其可編程性。通過適當(dāng)設(shè)置波導(dǎo)網(wǎng)格中的可調(diào)元件，可以在相同硬件上實(shí)現(xiàn)各種光學(xué)功能。關(guān)鍵能力包括：1.FIR和IIR濾波器：通過在網(wǎng)格中編程適當(dāng)?shù)姆答伮窂娇梢詫?shí)現(xiàn)有限和無(wú)限脈沖響應(yīng)濾波器。2.光學(xué)環(huán)形諧振器：可以實(shí)現(xiàn)具有可調(diào)耦合和往返相位的單腔和多腔環(huán)形諧振器。3.延遲線：通過將光路由通過網(wǎng)格中的不同路徑長(zhǎng)度可以創(chuàng)建可調(diào)光學(xué)延遲線。4.酉變換：可以實(shí)現(xiàn)輸入和輸出模式之間的任何線性光學(xué)變換，使量子光學(xué)應(yīng)用成為可能。
5 \) G# a! U9 V圖6和7顯示了在硅PIP芯片中實(shí)現(xiàn)環(huán)形諧振器和耦合諧振器濾波器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

" u- c0 L7 V5 W: J, o4 T圖6

4 X3 E" d$ F. N8 q3 c1 V圖7圖8演示了可調(diào)光學(xué)延遲線的實(shí)現(xiàn)。
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圖8為了實(shí)現(xiàn)任意酉變換，可以對(duì)波導(dǎo)網(wǎng)格進(jìn)行編程以模擬三角形或矩形分束器排列。圖9和10顯示了在PIP芯片上實(shí)現(xiàn)的3x3和4x4酉變換的示例。
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圖9
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5 H$ d/ A1 Q) ^6 E/ `6 c9 H3 l6 |圖10應(yīng)用PIP的多功能性使其能夠在不同領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用：1.電信：用于微波光子學(xué)和無(wú)線電光纖系統(tǒng)的可重構(gòu)光學(xué)濾波器、真時(shí)延和波束形成網(wǎng)絡(luò)。2.量子信息：用于量子門、玻色子采樣和量子模擬的可編程線性光學(xué)電路。3.機(jī)器學(xué)習(xí)：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層和儲(chǔ)備池計(jì)算的光學(xué)實(shí)現(xiàn)。4.傳感：多參數(shù)集成光子傳感器和光譜儀。5.信號(hào)處理：FFT、希爾伯特變換和其他信號(hào)處理操作的光學(xué)實(shí)現(xiàn)。
圖11顯示了包含PIP核心及輸入/輸出接口的通用光子處理器的概念架構(gòu)。

# H8 ^9 Q# z' b; d圖11圖12說(shuō)明了這種處理器可能的不同操作模式，包括全光、電光和光電信號(hào)處理。

圖12圖13演示了如何對(duì)PIP線路進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)靈活的光學(xué)通道管理，包括添加-刪除復(fù)用和廣播操作。

圖13挑戰(zhàn)和未來(lái)展望PIP顯示出巨大的潛力，但仍有需要解決的挑戰(zhàn)：1.損耗：通過多個(gè)TBU的累積損耗可能限制大型網(wǎng)格的可擴(kuò)展性。2.控制復(fù)雜性：編程數(shù)百個(gè)可調(diào)元件需要復(fù)雜的控制電子設(shè)備和算法。3.制造變異：需要通過自適應(yīng)校準(zhǔn)方案來(lái)補(bǔ)償器件參數(shù)的變化。4.功耗：大量相移器的熱調(diào)諧可能導(dǎo)致高功耗。
( c+ U( J( C( f& i未來(lái)的研究方向包括：1.開發(fā)更高效的調(diào)諧機(jī)制（例如MEMS或電光效應(yīng)）以減少功耗。2.合并增益元件以克服大規(guī)模網(wǎng)格中的損耗。3.探索新型網(wǎng)格拓?fù)浜涂刂扑惴ㄒ栽鰪?qiáng)可編程性。4.將PIP核心與電子設(shè)備集成，以實(shí)現(xiàn)完整的片上系統(tǒng)解決方案。
隨著該領(lǐng)域的成熟，可能會(huì)看到現(xiàn)場(chǎng)可編程光電子門陣列（FPPGA）的出現(xiàn) - 可以像電子FPGA一樣編程的通用光電子芯片。圖14顯示了這種FPPGA設(shè)備的概念示意圖。
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' H7 _" n6 ]0 M# t0 f圖14結(jié)論可編程集成光電子線路代表了光電子集成芯片設(shè)計(jì)的范式轉(zhuǎn)變。通過實(shí)現(xiàn)光學(xué)功能的后制造重構(gòu)，PIP有望降低光電子系統(tǒng)的開發(fā)成本和上市時(shí)間。隨著制造技術(shù)的改進(jìn)和控制技術(shù)的進(jìn)步，可以預(yù)期PIP將在通信、傳感和信息處理等廣泛應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。
( {7 C4 N7 e+ }1 Q參考文獻(xiàn)[1]J. Capmany and D. Pérez, "Programmable Integrated Photonics," Oxford University Press, 2020.
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