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引言4 G2 y7 D6 e) c# d% h
集成波導(dǎo)網(wǎng)格代表了可編程光電子集成芯片(PIC)的令人興奮的新范式。多功能結(jié)構(gòu)通過適當(dāng)設(shè)置控制信號,可以在單個芯片上動態(tài)配置各種光電子功能。本文將介紹集成波導(dǎo)網(wǎng)格背后的關(guān)鍵概念,探討不同的網(wǎng)格拓?fù)浼捌湫阅芴卣饕约叭绾问褂眠@個平臺編程復(fù)雜的光電子線路。
+ Z$ G, S; i1 s5 G9 f7 d5 w. c波導(dǎo)網(wǎng)格基礎(chǔ)
- B- P. A0 L' S波導(dǎo)網(wǎng)格的核心構(gòu)建模塊是可調(diào)基本單元(TBU)。這通常由一個平衡的馬赫-曾德干涉儀組成,兩個臂上都有相移器,允許獨立控制分光比和相位。通過將每個TBU配置為可調(diào)耦合器、交叉開關(guān)或相移器,可以合成復(fù)雜的光電子線路。
9 F3 i0 T+ d' f' q& a2 Y% BTBU以規(guī)則的模式互連形成網(wǎng)格。常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括方形、三角形和六邊形排列,如圖1所示。網(wǎng)格拓?fù)涞倪x擇影響空間分辨率、重構(gòu)靈活性和集成密度等特性。
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圖1:方形、三角形和六邊形網(wǎng)格拓?fù)鋵崿F(xiàn)基本光電子線路元件的示例。
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網(wǎng)格拓?fù)浔容^' Z5 k# [! w2 c' S
對不同網(wǎng)格拓?fù)湫阅艿脑敿?xì)分析揭示了幾個關(guān)鍵的權(quán)衡:空間調(diào)諧分辨率:這決定了實現(xiàn)延遲線或干涉結(jié)構(gòu)的最小步長。六邊形網(wǎng)格提供了2個基本單位長度(BUL)的最佳分辨率。重構(gòu)性能:這衡量可以實現(xiàn)多少種獨特的濾波器配置。六邊形網(wǎng)格表現(xiàn)最佳,特別是對于馬赫-曾德干涉儀(MZI)結(jié)構(gòu)。集成密度:與方形網(wǎng)格相比,六邊形網(wǎng)格每單位面積所需的開關(guān)元件減少了36.66%。復(fù)制靈活性:這表示給定結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)的方式數(shù)量。方形網(wǎng)格對環(huán)形諧振器最靈活,而六邊形網(wǎng)格對MZI最佳。損耗和偏振效應(yīng):由于波導(dǎo)彎曲更有利,六邊形網(wǎng)格通常具有較低的損耗和偏振旋轉(zhuǎn)。[/ol]2 C; w5 A4 e: i; P. s, p7 [* _* }
總體而言,六邊形網(wǎng)格拓?fù)湓谶@些指標(biāo)上提供了最佳的全面性能。表1總結(jié)了關(guān)鍵的比較結(jié)果。8 U& x8 V, A1 R6 }" o
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. I4 f" |+ c ~+ u8 N- l' L表1:不同網(wǎng)格拓?fù)涞男阅苤笜?biāo)總結(jié)。
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波導(dǎo)網(wǎng)格的真正優(yōu)勢在于它們能夠動態(tài)重構(gòu)以實現(xiàn)廣泛的光電子線路功能。關(guān)鍵示例包括:有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器通過配置具有所需差分長度的路徑,可以輕松實現(xiàn)不平衡馬赫-曾德干涉儀等FIR濾波器。圖2展示了如何在六邊形網(wǎng)格上編程多級FIR格型濾波器。+ L: C% w; }; C2 F
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! Z4 o1 g% G" a, y圖2:在六邊形網(wǎng)格上實現(xiàn)6階和5階FIR格型濾波器。* u8 M% d- t1 E9 z0 p
無限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器通過在網(wǎng)格內(nèi)形成封閉的光學(xué)環(huán)路,可以創(chuàng)建環(huán)形諧振器和其他IIR濾波器結(jié)構(gòu)。腔長決定了自由光譜范圍。圖3演示了單級和多級IIR濾波器的實現(xiàn)。4 M% |$ N% E3 D0 P' [; d5 L
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圖3:各種IIR濾波器結(jié)構(gòu)的編程:(a) 10級CROW,(b) 9級SCISSOR,(c) 5級雙通道SCISSOR,(d) 扭曲雙通道SCISSOR。
! |2 f$ H7 b! `$ W% a+ \! {可編程延遲線真時延線是相控陣天線等應(yīng)用的關(guān)鍵組件。波導(dǎo)網(wǎng)格允許靈活編程具有任意延遲增量的延遲線陣列。圖4顯示了在六邊形網(wǎng)格上實現(xiàn)的1x8波束形成網(wǎng)絡(luò)示例。" R$ l$ C; w) k9 `$ }
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圖4:在六邊形網(wǎng)格上編程的1x8延遲線陣列,具有各種延遲增量。
3 [; M# T {6 l4 u9 V7 n通用線性變換波導(dǎo)網(wǎng)格最強(qiáng)大的能力可能是能夠在輸入和輸出模式之間實現(xiàn)任意線性光學(xué)變換。這是通過在網(wǎng)格內(nèi)編程三角形(Reck)或矩形(Clements)干涉儀排列來實現(xiàn)的。圖5展示了如何使用六邊形網(wǎng)格上的三角形方案實現(xiàn)4x4幺正變換。使用既定算法計算每個分束器元件的耦合比和相移。
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3 g4 I0 c7 u c: O圖5:使用三角形干涉儀方案編程4x4 Hadamard變換。+ j+ i5 F# J4 I8 Y7 O' p
7 I1 @: x7 b4 [. W7 Z' r對于更大的變換,矩形排列提供了更緊湊的實現(xiàn)。圖6演示了使用這種方法在六邊形網(wǎng)格上配置的5x5奇異值分解。
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圖6:使用矩形干涉儀布局實現(xiàn)5x5 SVD變換。. f2 T: x h8 f5 l3 r. d
實際考慮因素波導(dǎo)網(wǎng)格的靈活性非常顯著,但在實際實現(xiàn)中需要考慮一些實際限制:1.損耗:每個TBU都會引入損耗,限制了可實現(xiàn)的最大路徑長度和線路復(fù)雜度。典型的每TBU插入損耗為0.2-0.3 dB,將有用的網(wǎng)格尺寸限制在每路徑約30-50個TBU。: }- E9 p$ i: r2 Z3 W
2.串?dāng)_:元件之間的光學(xué)和熱串?dāng)_可能會降低性能,特別是對于密集網(wǎng)格。仔細(xì)設(shè)計波導(dǎo)布線和熱隔離很重要。- w# a0 [3 w c" W4 O; P
3.控制復(fù)雜性:大型網(wǎng)格需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)來設(shè)置數(shù)百個相移器。需要高效的校準(zhǔn)和穩(wěn)定算法。
6 Y8 n* N* X* {5 x: ~) a1 z$ q. C4.占用面積:雖然比固定PIC更通用,但網(wǎng)格的占用面積更大。并行網(wǎng)格布局可以幫助緩解這一問題。
1 {; g+ Z/ w6 q$ |1 B. j7 a1 x; Z, A5.功耗:主動相位調(diào)諧消耗大量功率,特別是對于熱相移器。新型低功耗調(diào)諧機(jī)制是一個活躍的研究領(lǐng)域。% R. u& \6 K0 w/ y5 h. z
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結(jié)論集成波導(dǎo)網(wǎng)格代表了實現(xiàn)靈活和可重構(gòu)光電子線路的強(qiáng)大新范式。六邊形網(wǎng)格拓?fù)涮峁┝顺錾男阅芴卣鹘M合,使得可以在一個通用硬件平臺上編程實現(xiàn)非常廣泛的光學(xué)功能。$ N- S. n9 k# u2 H, ^
隨著制造技術(shù)的改進(jìn)和巧妙控制算法的開發(fā),可以期待看到波導(dǎo)網(wǎng)格在量子光電子、微波光電子和光信號處理等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)令人興奮的新應(yīng)用。無需制造新芯片就能快速重構(gòu)復(fù)雜光學(xué)線路的能力將加速光電子技術(shù)創(chuàng)新和原型設(shè)計。7 \8 R% C$ J0 a; n: W
擴(kuò)展到非常大的網(wǎng)格仍然存在挑戰(zhàn),但與傳統(tǒng)的特定應(yīng)用PIC相比,這種方法提供了靈活性。隨著技術(shù)的成熟,基于波導(dǎo)網(wǎng)格核心的可編程光電子處理器可能會像現(xiàn)場可編程門陣列對電子系統(tǒng)那樣普及和變革性。
2 z9 d9 o( W# a1 D2 n' r參考文獻(xiàn)[1]J. Capmany and D. Pérez, "Programmable Integrated Photonics," Oxford University Press, 2020.
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