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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(guò)適當(dāng)設(shè)置控制信號(hào),可以在單個(gè)芯片上動(dòng)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(gè)平臺(tái)編程復(fù)雜的光電子線路。, \1 I& @. K, O E: s' {+ y3 a
波導(dǎo)網(wǎng)格基礎(chǔ)4 F! X \* s) I2 t8 M& K2 F
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(gè)平衡的馬赫-曾德干涉儀組成,兩個(gè)臂上都有相移器,允許獨(dú)立控制分光比和相位。通過(guò)將每個(gè)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。
8 A$ j) b. A2 ?$ WTBU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。 - P: q5 j* F2 m8 b* D
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/ a% n. y t+ S( Q) Z4 D+ `' _9 T圖1:方形、三角形和六邊形網(wǎng)格拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)基本光電子線路元件的示例。, c% |1 F+ ~3 P" o! w
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網(wǎng)格拓?fù)浔容^
. P' I# t7 v# Z# A對(duì)不同網(wǎng)格拓?fù)湫阅艿脑敿?xì)分析揭示了幾個(gè)關(guān)鍵的權(quán)衡:空間調(diào)諧分辨率:這決定了實(shí)現(xiàn)延遲線或干涉結(jié)構(gòu)的最小步長(zhǎng)。六邊形網(wǎng)格提供了2個(gè)基本單位長(zhǎng)度(BUL)的最佳分辨率。重構(gòu)性能:這衡量可以實(shí)現(xiàn)多少種獨(dú)特的濾波器配置。六邊形網(wǎng)格表現(xiàn)最佳,特別是對(duì)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(shí)現(xiàn)的方式數(shù)量。方形網(wǎng)格對(duì)環(huán)形諧振器最靈活,而六邊形網(wǎng)格對(duì)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]
- ? q5 ~' ~+ t" A" F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。
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表1:不同網(wǎng)格拓?fù)涞男阅苤笜?biāo)總結(jié)。* J% r" u0 W0 O7 ^+ U
網(wǎng)格拓?fù)浔容^: i: B9 }4 r! A2 L$ T. {! k Q
波導(dǎo)網(wǎng)格的真正優(yōu)勢(shì)在于它們能夠動(dòng)態(tài)重構(gòu)以實(shí)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(guò)配置具有所需差分長(zhǎng)度的路徑,可以輕松實(shí)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(jí)FIR格型濾波器。
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圖2:在六邊形網(wǎng)格上實(shí)現(xiàn)6階和5階FIR格型濾波器。8 C- k) M1 l' b: c2 s: a8 Z
無(wú)限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器通過(guò)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(zhǎng)決定了自由光譜范圍。圖3演示了單級(jí)和多級(jí)IIR濾波器的實(shí)現(xiàn)。# P; I; N6 `/ ?+ P
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圖3:各種IIR濾波器結(jié)構(gòu)的編程:(a) 10級(jí)CROW,(b) 9級(jí)SCISSOR,(c) 5級(jí)雙通道SCISSOR,(d) 扭曲雙通道SCISSOR。
9 P. e) [9 P; b+ @0 d+ @可編程延遲線真時(shí)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(shí)現(xiàn)的1x8波束形成網(wǎng)絡(luò)示例。; R0 A- `) i! V2 ]2 _( A1 ^0 r+ ~
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' b: W- e" S8 j* p" W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。
# a7 m2 r. ~- r* Q; c! \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(shí)現(xiàn)任意線性光學(xué)變換。這是通過(guò)在網(wǎng)格內(nèi)編程三角形(Reck)或矩形(Clements)干涉儀排列來(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)4x4幺正變換。使用既定算法計(jì)算每個(gè)分束器元件的耦合比和相移。
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% _( k1 H* ^, _! g' W) p/ `4 p. V! h圖5:使用三角形干涉儀方案編程4x4 Hadamard變換。$ j. J! M$ n0 j c8 w* d: T( n
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對(duì)于更大的變換,矩形排列提供了更緊湊的實(shí)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(shí)現(xiàn)5x5 SVD變換。
" V% Z, _ j( H2 v; y( c( P. U實(shí)際考慮因素波導(dǎo)網(wǎng)格的靈活性非常顯著,但在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中需要考慮一些實(shí)際限制:1.損耗:每個(gè)TBU都會(huì)引入損耗,限制了可實(shí)現(xiàn)的最大路徑長(zhǎng)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(gè)TBU。
D) v0 D; u/ Z+ ~7 r _) ?# w5 R2.串?dāng)_:元件之間的光學(xué)和熱串?dāng)_可能會(huì)降低性能,特別是對(duì)于密集網(wǎng)格。仔細(xì)設(shè)計(jì)波導(dǎo)布線和熱隔離很重要。) H' @% q% K; \3 N
3.控制復(fù)雜性:大型網(wǎng)格需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)來(lái)設(shè)置數(shù)百個(gè)相移器。需要高效的校準(zhǔn)和穩(wěn)定算法。- q6 j9 D4 ?4 p0 P8 x, y
4.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(wèn)題。; ~1 T' A: J" W: A
5.功耗:主動(dòng)相位調(diào)諧消耗大量功率,特別是對(duì)于熱相移器。新型低功耗調(diào)諧機(jī)制是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。
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結(jié)論集成波導(dǎo)網(wǎng)格代表了實(shí)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(gè)通用硬件平臺(tái)上編程實(shí)現(xiàn)非常廣泛的光學(xué)功能。
6 Z i8 s6 g1 F( `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(hào)處理等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)令人興奮的新應(yīng)用。無(wú)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(jì)。
* O3 f% ?3 I% }" U$ m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(huì)像現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列對(duì)電子系統(tǒng)那樣普及和變革性。
( e- E" Q8 Y6 d, x9 U! e! o# X( R參考文獻(xiàn)[1]J. Capmany and D. Pérez, "Programmable Integrated Photonics," Oxford University Press, 2020.
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