|
引言集成多端口干涉儀代表了可編程光電子線路演進的重要一步。這些器件最初是為光量子技術(shù)中實現(xiàn)固定的幺正變換而開發(fā)的,但現(xiàn)在已在量子信息處理和神經(jīng)形態(tài)光電子技術(shù)等領(lǐng)域找到了更廣泛的應(yīng)用。本文概述了集成多端口干涉儀的關(guān)鍵原理和設(shè)計,這些干涉儀能夠通過可編程操作實現(xiàn)任意線性變換。& L; w( q" m u; m% J4 B% c! K
?' h. d8 ]' D A0 q# q7 p! E
幺正變換基礎(chǔ)2 V1 P2 c( ~0 d3 o8 ~3 b
多端口干涉儀的核心目標(biāo)是在N個輸入和N個輸出光學(xué)模式之間實現(xiàn)幺正N×N矩陣變換。幺正矩陣U滿足條件U?U = UU? = I,其中U?是U的共軛轉(zhuǎn)置,I是單位矩陣。7 c0 [& b/ h8 b) O
7 h, D5 A( W5 Z$ j7 k6 W- L對于干涉儀設(shè)計特別相關(guān)的幺正矩陣有兩個關(guān)鍵特性:從右側(cè)將U與矩陣(T-1)mn相乘可以使矩陣元素為零,同時保持幺正性。從左側(cè)將U與矩陣Tmn相乘可以使矩陣元素為零,同時保持幺正性。6 _) K. @3 C, b* n6 R" ?" E
[/ol]& K: J. M( R7 V( N2 I8 w
這些特性使得可以將任意幺正變換分解為可用可調(diào)波束分離器實現(xiàn)的更簡單的2×2變換序列。
/ `" G4 T& k F, l3 ]
; T4 X% y" k; x' ?三角形干涉儀設(shè)計
- F3 a2 a& c/ s. t* M0 L4 V三角形干涉儀配置由Reck等人在1994年提出,是最早用于實現(xiàn)任意幺正變換的設(shè)計之一。它利用了如圖1所示的可調(diào)波束分離器的三角形排列。1 C4 L e9 R2 o y4 W
4 ?5 ^( \9 H6 s) m; _- c
8 ?/ u* v0 v8 e7 N$ R
5un3evlrgt164010893842.png (119.92 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊
5un3evlrgt164010893842.png
2024-9-17 13:34 上傳
3 Q4 {# b6 h0 i. W圖10 H' i E# _0 Q1 F7 a+ u
% N7 M& f) S5 M# x5 w8 |2 @
編程三角形干涉儀的關(guān)鍵步驟是:將U從右側(cè)與一系列(T-1)mn矩陣相乘,以逐列使元素為零。每次相乘后,利用已置零的元素簡化后續(xù)操作。重復(fù)直到U被簡化為對角矩陣。% p" ?: i" U4 j6 k, S; |. u; }+ ^: T, o
[/ol]
( F5 |! K$ g0 I+ \) t$ T* Y. V7 E, Z這個過程將U分解為波束分離器操作和相移的乘積:
# d, j/ w1 t1 a6 I9 Z( L w( XU = D Π[Tij]
( S5 O% f" q' h) h0 s& a+ B' M6 n其中D是相移的對角矩陣,Tij表示2×2波束分離器變換。
" P( s G/ X4 r S- n! X
* K% M8 o( n2 B9 ]* I4 x, ?2 g三角形設(shè)計需要N(N-1)/2個波束分離器,深度(最長光路)為2N-3。雖然有效,但這種不對稱設(shè)計可能導(dǎo)致某些模式的光學(xué)損耗更高。/ L0 {' r, V7 ^, s
' w) k; w* t7 Y
6 t+ v8 y: d6 L0 s矩形干涉儀設(shè)計( V% s8 Q+ U( Q0 H5 Y% v0 A
最近,Clements等人提出了改進的矩形干涉儀設(shè)計,相比三角形配置提供了一些優(yōu)勢。圖2所示的矩形設(shè)計具有以下主要特點:* ~* Z2 g" j; G; H6 i/ l" l
9 t9 I- T9 ~3 j* J" i( g& y! w. E+ E* V
sca2hxecllx64010893942.png (547.94 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊
sca2hxecllx64010893942.png
2024-9-17 13:34 上傳
6 h: |* o2 r, T4 w1 L( j3 f
圖2
( ~) ]6 }) H5 s; e" R$ g# J. \* Y( b6 Z2 j8 |
波束分離器的對稱排列深度僅為N(相比三角形的2N-3)由于光路更平衡,對損耗的容忍度更高仍然需要總共N(N-1)/2個波束分離器
4 n" }$ ^- [3 P; P9 g3 A0 S5 h, K% X0 H F
矩形設(shè)計的編程算法涉及交替從左側(cè)和右側(cè)使矩陣元素為零。這導(dǎo)致如下形式的分解:; ?* u4 ^- [4 k" {9 v3 E* u7 O
U = D' Π[Tmn]. x" c3 W! s. K% _5 }
其中D'仍然是對角相移矩陣,Tmn是2×2波束分離器操作。4 W$ s: {* X* ^& ^
' R7 t3 i6 X( x# W集成實現(xiàn)
1 d; ~- C' a% E, U3 U三角形和矩形干涉儀設(shè)計都可以使用可調(diào)馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)作為基本構(gòu)建模塊,在集成光電子線路中輕松實現(xiàn)。圖3顯示了已經(jīng)制造的一些集成三角形干涉儀的例子。
$ |, W' @6 f! k# \3 I. C0 N7 N
# I9 z4 c e! Z( g
$ \3 ^8 N/ V) W
wsuhpm03hkn64010894042.png (471.11 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊
wsuhpm03hkn64010894042.png
2024-9-17 13:34 上傳
& ~- ~. E- k$ O V1 m4 Q4 h6 _
圖3" L/ N( g9 ^1 H4 q# _3 K$ U
0 a1 J" ?. t3 m% {2 X; D
這些芯片包含熱可調(diào)MZI陣列,可以編程實現(xiàn)任意幺正變換。最近也展示了類似的矩形干涉儀的集成實現(xiàn),如圖3c-d所示。
9 I. [: E. j4 L! O9 ^% x. g$ O. j% n4 Q2 i$ W; ?: a9 I! a
) n$ E, L8 c) n
快速傅里葉變換干涉儀
8 P# r+ ?9 V' K( e; |1 _雖然三角形和矩形設(shè)計可以實現(xiàn)任何幺正變換,但針對特定重要操作(如傅里葉變換)已經(jīng)開發(fā)了更專門的干涉儀設(shè)計。快速傅里葉變換(FFT)干涉儀在光學(xué)硬件中實現(xiàn)Cooley-Tukey FFT算法。" f8 V, v3 ~: M7 O+ [
0 ^, N: P$ \2 i v$ C0 I4 H圖4說明了4×4 FFT干涉儀的設(shè)計:; g+ Q( O0 {+ [6 G+ G
* X% |' h+ l( G5 G0 t4 R7 e
ctsmusgpxgt64010894142.png (131.43 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊
ctsmusgpxgt64010894142.png
2024-9-17 13:34 上傳
! W6 R1 ?% A+ L* n& f圖42 q! r% S$ R! ^& a* x [9 G! T
: o2 F* f/ ]% T* ^! f
FFT干涉儀僅需要N log2 N個波束分離器(相比通用設(shè)計的N(N-1)/2),但僅限于實現(xiàn)傅里葉和相關(guān)變換。對于某些應(yīng)用,代表了靈活性和效率之間的有趣權(quán)衡。
% ~' [; @+ a: Z8 d2 C. p
/ y% z2 Y, A/ y. E, r6 b( M/ [" H0 k) Z0 E8 t8 F
線性通用組件
3 r/ [5 \+ T2 Y- L& Q# k為了超越幺正變換并實現(xiàn)不同數(shù)量輸入和輸出模式之間的任意線性操作,Miller提出了線性通用組件(LUC)的概念。如圖5所示,LUC由以下部分組成:
" G1 V5 F/ c0 _4 C4 G
$ l( N n( A0 f& u& h- g8 u
6 u& [: ~1 l. l3 y: e
dlx1cyx2ua064010894243.png (175.57 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊
dlx1cyx2ua064010894243.png
2024-9-17 13:34 上傳
# _( w( h9 w" \( e8 N$ w
圖5
: ?" d+ H! h8 G& u( p0 [實現(xiàn)U?的輸入耦合器實現(xiàn)奇異值的對角算子實現(xiàn)V的輸出耦合器
& [) r6 I2 \3 n1 q- ~# F4 O[/ol]
e, `; c+ U: @6 v其中U和V是所需線性變換的奇異值分解中的幺正矩陣。這允許實現(xiàn)任何可以用緊湊矩陣表示的線性算子。
8 P- h. E( [+ k4 L+ q, \
/ A, g8 J$ w7 J$ eLUC可以通過使用三角形或矩形干涉儀作為輸入/輸出耦合器,并通過可調(diào)MZI陣列連接對角算子來在集成光電子技術(shù)中實現(xiàn)。圖6顯示了兩個集成LUC布局的例子:
3 V7 z& K4 A. o3 b1 z
e) ]4 _% {6 Q$ t5 w
bjrejtfpkvo64010894343.png (215.61 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊
bjrejtfpkvo64010894343.png
2024-9-17 13:34 上傳
0 I( t. ~' m: L" ^0 j) r, ~圖6
6 R& J8 |9 b _ }/ w/ f$ O! ^! x6 X; B" h. o, N
基準測試和比較
! I- u4 X$ {. g& D7 g# ~在比較不同的多端口干涉儀設(shè)計時,關(guān)鍵指標(biāo)包括:) T3 E2 X" g$ w \) I% j7 a2 D
所需的波束分離器數(shù)量光學(xué)深度(最長路徑長度)實現(xiàn)任意變換的能力對制造誤差和光學(xué)損耗的容忍度
" E2 E v" r; f$ ]
, k) d; T5 L5 n' ]5 f+ M# Y8 O附件中的表1提供了三角形、矩形和FFT干涉儀設(shè)計在這些指標(biāo)上的有用比較?偟膩碚f,矩形設(shè)計為通用操作提供了最佳整體性能,而FFT設(shè)計對特定變換可能更有效。
$ @7 K; T# `: |; D1 y
, n X0 @; ^) u" g3 i2 S+ B, {! ?
ozermioww5o64010894443.png (202.03 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊
ozermioww5o64010894443.png
2024-9-17 13:34 上傳
+ L1 g* }( a8 g8 Q# P" e8 {表1+ |% L' n8 T3 L6 A
. j- W6 y t" Z結(jié)論0 }0 }; h" m+ W2 K! s
集成多端口干涉儀能夠在緊湊的光電子線路中靈活實現(xiàn)廣泛的線性光學(xué)變換。三角形和矩形通用干涉儀等關(guān)鍵設(shè)計允許編程實現(xiàn)任意幺正操作,而更專門的架構(gòu)為特定任務(wù)提供了更高的效率。
, }0 `0 _. `9 G! F3 m1 C
5 A# g) U* B) B) n# G% W這些可編程干涉儀設(shè)計作為量子信息處理、機器學(xué)習(xí)加速器、光通信等應(yīng)用的基本構(gòu)建模塊。持續(xù)的研究繼續(xù)優(yōu)化干涉儀架構(gòu),改進其制造和控制,以解鎖可編程集成光電子技術(shù)的新能力。
+ i0 v$ r; D# ]. q
( `+ e5 I4 {4 E' w$ J/ S3 ^5 }+ f隨著集成光電子技術(shù)的成熟,多端口干涉儀可能在實現(xiàn)復(fù)雜光學(xué)信息處理系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要的作用。在緊湊、低功耗平臺中實現(xiàn)任意線性變換的能力使其成為新興可編程光電子技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵推動因素。! c3 r/ Z+ ?8 ?$ R
: J. _) ?% }5 P' d5 Y: o0 w: ?
# |$ {4 S& e, Q8 r9 F
參考文獻5 a0 V; q' G0 @4 h9 a
[1]J. Capmany and D. Pérez, "Programmable Integrated Photonics," Oxford University Press, 2020.3 Y: p( [, v* q$ |
; ]9 y# _$ V/ D0 d/ X
- END -
' ^; Z2 m6 t$ [0 o& m; _5 Q$ [) E" D: u$ z* A, V2 ^1 q& n
軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗免費版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用,PIC Studio都可提升您的工作效能。2 J" M7 v) L) ?+ R X& _
點擊左下角"閱讀原文"馬上申請1 U+ K3 L' w! S$ w
( R! R8 ?" D; Z( _2 m& M
歡迎轉(zhuǎn)載
, K" |! p7 l$ g9 v5 g9 A- q" T/ M9 [! o' f' I
轉(zhuǎn)載請注明出處,請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!6 b# E5 ]2 o9 H) @, f" } y
1 n9 B l, }$ Q: X
+ A, m; I( [: {# L: R! X: _$ v( s- f9 X0 }, ]8 O
d4frxngrhst64010894543.gif (16.04 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊
d4frxngrhst64010894543.gif
2024-9-17 13:34 上傳
" l: z2 [) A- y2 ~9 y C/ N
3 s8 H' X# K5 I% b$ G# R關(guān)注我們5 _. k( \' e3 Z4 I
% i: w9 I9 i4 a8 X' i, m, a
* U F G7 D5 d* G% J/ X. F0 {$ h
a4nhs1yeqpm64010894643.png (31.33 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊
a4nhs1yeqpm64010894643.png
2024-9-17 13:34 上傳
* N6 F3 ~) u) ?+ p+ L- [ |
' o- B. m" s Y0 q
ywweupuc51164010894743.png (82.79 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊
ywweupuc51164010894743.png
2024-9-17 13:34 上傳
4 J! @/ a. J5 D | 7 e3 o7 Y4 \7 g8 O8 H$ d, H
mbrpqoxzmbr64010894843.png (21.52 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊
mbrpqoxzmbr64010894843.png
2024-9-17 13:34 上傳
4 ]3 w" p! _$ v* ~$ k! A
|
) h3 A1 i+ W A( g' v9 b" n+ l) P3 @4 i% G1 G' J) A+ j0 [
7 h% Z, e2 c- e% E: o5 I# R4 p# t: ^; W- G l
關(guān)于我們:
- Q, H5 x8 Z& P/ e# G深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
" G) [# W1 i6 m8 ~0 U7 k0 ^
- y+ ^6 L( N" W' c& Q/ vhttp://www.latitudeda.com/' d* G f* B) U3 x( B% @0 w
(點擊上方名片關(guān)注我們,發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容) |
|