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引言; }" k& t5 l' Y7 a
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)。
* y% Z% v" |' P實(shí)驗(yàn)演示4 R/ W! Z9 d0 G) F" d5 M
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]* v- \. ]% O" c/ n* b
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]/ H# a+ A! d, R8 j$ C5 [; `
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。 }- c, @* N1 D+ w
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圖1( r* n9 g7 `" E6 F1 R% B- R- S
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6 y- X! G4 |6 G圖2. J. W9 _' Q! ^" ]. P1 P: C$ h% ~9 z
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4 \8 Y0 u+ o* g9 D圖3) R8 R4 r/ f0 ^- h3 W5 [
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(zhǎng)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(duì)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:?jiǎn)蝹(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]
) r2 W6 K3 |& |3 L: U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]
: _' ~6 P `3 g2 G1 I+ r圖4顯示了耦合器和相位誤差對(duì)TBU性能的影響:
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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。2 V- P2 \4 O8 s% x# w3 k
監(jiān)控和控制架構(gòu)閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)配置和優(yōu)化可編程PIC很有必要:: M, E3 D Q, Y; C
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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]5 x2 z4 N0 _! k- R8 M4 _: R
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。2 Z& Y, [; G$ K5 E5 T
軟件框架軟件層對(duì)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]# H- C0 T) ~3 l6 M# L$ y$ W& \
圖6顯示了編程波導(dǎo)網(wǎng)格的典型工作流程:' _' O) F/ \; E6 G0 Z
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" K1 O$ h% I4 @8 V! I' f圖6
' |! S4 d' w% e. P& z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:
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- O4 Q) r+ k1 j. B圖77 P& O4 q- k$ C/ l# e+ A5 P+ }7 f
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:
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圖8
/ F' i. [7 p( W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]( B; |* c1 V; t/ I! y! P2 M
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。: E$ v+ `- J9 r0 `/ M8 x( Y
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]2 v$ A3 _) r( r/ ^9 d$ a( N
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(duì)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。
. R' t9 C3 e3 `參考文獻(xiàn)[1]J. Capmany and D. Pérez, "Programmable Integrated Photonics," Oxford University Press, 2020.
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