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引言
7 i, ^) B* s7 X可編程光電子集成芯片(PIC)成為在芯片上實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)的強(qiáng)大平臺(tái),本文概述了可編程PIC實(shí)際實(shí)現(xiàn)的主要考慮因素和挑戰(zhàn),重點(diǎn)關(guān)注多端口干涉儀和波導(dǎo)網(wǎng)格架構(gòu)。
8 S6 z9 Z4 p$ p實(shí)驗(yàn)演示
1 e0 N. a: O; H3 c早期的實(shí)驗(yàn)演示展示了可編程PIC的潛力:多端口干涉儀:硅基15個(gè)可調(diào)基本單元(TBU)的6x6三角形排列[圖1a]硅基9個(gè)TBU的4x4三角形排列[圖1b]硅基88-MZI梯形排列[圖1e]
% |" c% n! a- f: n* q9 m% Y# F* u波導(dǎo)網(wǎng)格:基于氮化硅光電子的7個(gè)TBU的2單元方形拓?fù)鋄圖2a]基于硅基光電子的30個(gè)TBU的7單元六角形拓?fù)鋄圖2b]基于氮化硅光電子的40個(gè)TBU的10單元六角形拓?fù)鋄圖2c]9 b) F: P! s1 s
這些演示通過編程網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)了各種光學(xué)功能,如濾波器、分束器和線性變換。例如,圖3顯示了在六角形網(wǎng)格中實(shí)現(xiàn)環(huán)形諧振器濾波器。5 W9 G" @/ z/ B" [) o
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" @; @3 |! U7 ? U圖1
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: w+ X$ Q3 R+ l& U! _6 L5 {圖2
. R. V4 v" `) Z. Z% c& ~/ J
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圖3: h* b( O. K8 ]( V1 D7 c) |4 d
擴(kuò)展考慮因素隨著可編程PIC擴(kuò)展到更大規(guī)模,幾個(gè)因素限制了其性能:累積損耗:總損耗隨著穿過的TBU數(shù)量增加而增加。例如,每個(gè)TBU損耗0.2 dB時(shí),10 dB總損耗預(yù)算限制最大路徑長度約為50個(gè)TBU。占用面積:芯片面積限制了可以集成的最大TBU數(shù)量。當(dāng)前設(shè)計(jì)限制在約20-400 mm2范圍內(nèi)。功耗:總功耗隨著活躍TBU數(shù)量增加而增加。熱調(diào)諧通常每個(gè)TBU需要10-30 mW。電氣布線:對于大規(guī)模集成,連接每個(gè)TBU的電信號(hào)變得具有挑戰(zhàn)性。需要多層布線。TBU性能:單個(gè)TBU的插入損耗、串?dāng)_和調(diào)諧精度影響整體系統(tǒng)性能。[/ol]: G0 u- J1 B f3 b9 C
誤差源及影響幾個(gè)誤差源影響可編程PIC的性能:波導(dǎo)變化:制造缺陷導(dǎo)致波導(dǎo)幾何形狀和有效折射率偏差。溫度漂移:環(huán)境溫度變化和致動(dòng)器之間的熱串?dāng)_影響相位。驅(qū)動(dòng)信號(hào)漂移:電驅(qū)動(dòng)器的精度有限和噪聲導(dǎo)致相位誤差。器件非理想性:TBU中不完美的分束比、相位控制和損耗在線路中累積。[/ol]
! E1 H/ a+ W; [圖4顯示了耦合器和相位誤差對TBU性能的影響:8 Z3 }. U- m1 Z. x/ a
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圖4這些誤差導(dǎo)致消光比下降、串?dāng)_增加以及偏離理想線路行為。需要仔細(xì)表征和校準(zhǔn)以減輕其影響。# _1 b" a2 N' }3 `0 }
監(jiān)控和控制架構(gòu)閉環(huán)控制系統(tǒng)對配置和優(yōu)化可編程PIC很有必要:8 b. A" I' t9 ^. t, D- A+ E
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6 W3 z I, T9 v- C: D6 H: c9 y% B圖5主要組件包括:處理單元(PU):運(yùn)行算法確定最佳線路配置多通道電子驅(qū)動(dòng)陣列(MEDA):為致動(dòng)器提供電信號(hào)多通道電子監(jiān)控陣列(MEMA):讀取各點(diǎn)的光功率[/ol] f: i' f, s& }7 K1 b& u
該系統(tǒng)能夠根據(jù)變化的條件或要求動(dòng)態(tài)重構(gòu)和優(yōu)化PIC。% v/ f! k$ H- I9 N9 d) S% _: j
軟件框架軟件層對充分發(fā)揮可編程PIC的潛力很重要。主要方面包括:表征:映射每個(gè)TBU的響應(yīng)線路合成:確定所需功能的TBU設(shè)置的算法優(yōu)化:改進(jìn)性能和補(bǔ)償誤差的迭代方法自動(dòng)布線:為給定規(guī)格找到通過網(wǎng)格的最佳路徑[/ol]; [0 c3 m. g- P5 f9 j) w; X
圖6顯示了編程波導(dǎo)網(wǎng)格的典型工作流程:
' T+ {2 H0 e0 Q8 p7 f/ R
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/ k& ~ g4 f; D! {8 v8 ?圖6
9 ]" |. c! _: w: N可以使用梯度下降等高級(jí)優(yōu)化技術(shù)來配置復(fù)雜功能。圖7演示了1x8分束器的優(yōu)化:% @5 U/ A) p2 t" [1 ^' w0 [+ I
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圖79 e5 g$ ?3 i7 U, S
實(shí)際例子為說明編程過程,考慮在7單元六角形網(wǎng)格上實(shí)現(xiàn)多個(gè)光學(xué)功能:6 W; V+ o7 I f& @- D* Z" ^
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圖83 `; l( \2 q! X& u1 w7 {
這個(gè)例子顯示:配置12-TBU環(huán)形諧振器(配置1)重構(gòu)為4-TBU馬赫-曾德干涉儀(配置2)6-TBU環(huán)和2-TBU MZI同時(shí)操作(配置3)[/ol]
* L7 ~0 M1 K ]" N. L. [6 |通過調(diào)整每個(gè)TBU的驅(qū)動(dòng)電流實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)重構(gòu)。得到的光譜響應(yīng)展示了可編程架構(gòu)的多功能性。& m! ]8 X5 i1 b0 ~+ l9 ~7 @
未來展望可編程PIC正在快速發(fā)展,未來發(fā)展的幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域包括:擴(kuò)展:集成更多TBU(>1000),同時(shí)管理損耗和功耗改進(jìn)TBU:降低單個(gè)單元的插入損耗、串?dāng)_和功耗新型調(diào)諧機(jī)制:探索熱光調(diào)諧的替代方案,實(shí)現(xiàn)更快、更高效的操作高級(jí)控制:實(shí)施機(jī)器學(xué)習(xí)和自適應(yīng)算法以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健操作混合架構(gòu):將可編程網(wǎng)格與專用高性能構(gòu)建模塊相結(jié)合[/ol]
, P- b1 ]& d* {- \) B" `0 p3 E6 Z結(jié)論可編程PIC為在芯片上實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)提供了靈活性。當(dāng)前的演示已顯示出巨大潛力,但在擴(kuò)展到更大、更復(fù)雜的系統(tǒng)方面仍存在重大挑戰(zhàn)?朔䲟p耗、功耗和控制復(fù)雜性的限制對實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的全部潛力很重要。創(chuàng)新光電子設(shè)計(jì)、先進(jìn)控制系統(tǒng)和復(fù)雜軟件框架的結(jié)合將推動(dòng)可編程PIC的持續(xù)發(fā)展,為通信、傳感和信息處理等領(lǐng)域帶來新的應(yīng)用。; h" T/ U9 L: r+ M' c# b
參考文獻(xiàn)[1]J. Capmany and D. Pérez, "Programmable Integrated Photonics," Oxford University Press, 2020.
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