可重構(gòu)的特定應(yīng)用光電子集成芯片

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
4 t+ M+ s0 B/ @( j光電子集成芯片（PIC）已成為在小型芯片上實(shí)現(xiàn)各種光信號(hào)處理功能的有前途的技術(shù)。早期的許多PIC都有為特定應(yīng)用量身定制的固定設(shè)計(jì)，但開發(fā)可動(dòng)態(tài)調(diào)諧或重新編程以支持多種功能的可重構(gòu)PIC正引起越來(lái)越多的關(guān)注。本文概述了可重構(gòu)的特定應(yīng)用PIC的主要發(fā)展，重點(diǎn)介紹架構(gòu)、功能和潛在應(yīng)用。


" _( s9 X0 V* }; ]* H2 p6 }* Z$ C4 I可重構(gòu)光學(xué)濾波器
可調(diào)諧光學(xué)濾波器是可重構(gòu)PIC最常見和通用的構(gòu)建模塊之一。允許對(duì)光信號(hào)的頻譜整形和濾波進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。一種廣泛使用的架構(gòu)基于級(jí)聯(lián)環(huán)形諧振器，可以通過(guò)熱或電調(diào)諧來(lái)調(diào)整它們的諧振頻率和耦合強(qiáng)度。

圖1顯示了在InP技術(shù)中實(shí)現(xiàn)的可重構(gòu)光學(xué)濾波器的例子。由多個(gè)級(jí)聯(lián)環(huán)形諧振器組成，具有可調(diào)諧耦合器和相移器。通過(guò)調(diào)整調(diào)諧元件，可以動(dòng)態(tài)重構(gòu)濾波器響應(yīng)以實(shí)現(xiàn)不同的濾波器形狀和帶寬。
4 Y2 ~8 J- Y2 m7 Q

圖1
2 k9 q* ?" _; Z+ d
另一種濾波器架構(gòu)是環(huán)輔助馬赫-曾德干涉儀（RAMZI），如圖2所示。將非對(duì)稱馬赫-曾德干涉儀與耦合到每個(gè)臂的環(huán)形諧振器相結(jié)合。RAMZI設(shè)計(jì)通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)諧允許實(shí)現(xiàn)有限脈沖響應(yīng)（FIR）和無(wú)限脈沖響應(yīng)（IIR）濾波器特性。
* ~; h. v  I1 B! g( a

( d/ O6 x% e/ ~1 `1 `- a, b1 s  j
- @$ j: t# e4 _圖2
$ @4 Q/ T- c& t5 R7 l7 w( b  S1 _
7 _7 x. @- D: y- J1 {( \射頻相移器和延遲線
用于射頻信號(hào)的可重構(gòu)光學(xué)延遲線和相移器是波束成形和信號(hào)生成等應(yīng)用的關(guān)鍵組件。光學(xué)環(huán)形諧振器可用于實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧真時(shí)延，如圖3所示的級(jí)聯(lián)環(huán)形諧振器結(jié)構(gòu)。通過(guò)熱調(diào)諧環(huán)，可以在寬帶寬上實(shí)現(xiàn)可變延遲。
0 w6 O9 b2 @  n, N  j" X4 _. F  j

圖3
. i) f: k5 Z5 f+ ?4 r
對(duì)于相移，可以使用如圖4所示的結(jié)構(gòu)。這里，兩個(gè)級(jí)聯(lián)環(huán)形諧振器在與單邊帶調(diào)制一起使用時(shí)實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧射頻相移。通過(guò)調(diào)整環(huán)諧振，可以實(shí)現(xiàn)完整的360°相位調(diào)諧。
2 B, A  h; K2 d/ P$ c, m( g
7 f: ~& j$ z3 y7 u$ s! K. g" L
1 s; M  I' }! d9 U6 y) i
圖4
2 ^2 D& e6 {. o3 U. O4 y
波束形成器
實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧延遲和相移的能力使得實(shí)現(xiàn)相控陣天線的光學(xué)波束形成網(wǎng)絡(luò)成為可能。圖5顯示了在TriPleX波導(dǎo)技術(shù)中實(shí)現(xiàn)的1x16光學(xué)波束形成器的例子。使用級(jí)聯(lián)環(huán)形諧振器在10.7-12.75 GHz頻帶上提供可調(diào)諧真時(shí)延，實(shí)現(xiàn)寬帶、無(wú)斜視操作。
- v1 l! k6 C) Z& D1 @+ q  X1 W
5 U. Q' o. b! I& _' S0 ^
$ H+ |1 E0 _9 ?* v# E+ f7 K
圖5

任意波形發(fā)生器
可重構(gòu)PIC還能夠生成具有非常高帶寬的任意射頻波形。圖6展示了一個(gè)基于頻譜整形和波長(zhǎng)到時(shí)間映射的硅基光電子任意波形發(fā)生器。它使用級(jí)聯(lián)微環(huán)諧振器從輸入脈沖中選擇性地過(guò)濾頻譜分量，然后使用以SCISSOR結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的可調(diào)諧延遲線。這允許生成高達(dá)50 GHz的自定義射頻波形。

$ G0 j3 J3 e3 I/ R' n
圖6
" i3 U8 a2 ~- e$ n
光電振蕩器
; O8 b' D" e4 O5 L* u, B集成光電子技術(shù)使光電振蕩器（OEO）的微型化成為可能，用于生成超純微波信號(hào)。圖7顯示了一個(gè)硅基光電子OEO的例子，它在單個(gè)芯片上集成了高速相位調(diào)制器、熱可調(diào)諧微盤諧振器和光電探測(cè)器。這允許生成可調(diào)諧的3-8 GHz信號(hào)，具有低相位噪聲。

" F4 q/ k( x" ]& W! w
3 |0 |3 S7 e4 g+ N; N/ _圖7
0 W3 d) ]  a8 T/ g
多功能可重構(gòu)PIC
雖然許多可重構(gòu)PIC是為特定應(yīng)用設(shè)計(jì)的，但一些架構(gòu)可以通過(guò)適當(dāng)?shù)膮��?shù)調(diào)整支持多種功能。圖8顯示了最初設(shè)計(jì)為可調(diào)諧濾波器的基于InP的線路，通過(guò)重新配置其內(nèi)部可調(diào)諧耦合器、半導(dǎo)體光放大器和相移器，還可以實(shí)現(xiàn)微分、積分和希爾伯特變換等數(shù)學(xué)運(yùn)算。
5 N9 L( a- X$ j7 q7 b
$ h2 y. w( n' X
圖8
; }% O% B' W  a% b* k
5 Q7 H3 i: e' {1 U2 ?/ Q另一個(gè)例子是圖9中的Si3N4線路，通過(guò)利用其環(huán)形諧振器的不同子集，可以同時(shí)作為頻率鑒別器和超寬帶脈沖發(fā)生器。
$ o. r# k/ y% M, p+ z( P" n  r4 H* e
* s$ x) k0 l* l' Q- U+ m$ n0 |
/ _( _; m% ~; T5 j$ _  m+ E2 d: B9 g圖9
; K' \! X5 M: z
1 h# w$ q& Y5 E* s) M走向通用可編程PIC
* s! ~" ]8 {& r) C多功能可重構(gòu)PIC的概念可以進(jìn)一步擴(kuò)展到更通用的可編程架構(gòu)。圖10展示了通用微波光子處理器架構(gòu)。包含一個(gè)可重構(gòu)的光學(xué)核心，具有各種光電子構(gòu)建模塊，如MZI、環(huán)和光柵，通過(guò)光學(xué)路由和開關(guān)元件互連。這允許動(dòng)態(tài)重構(gòu)以實(shí)現(xiàn)廣泛的信號(hào)處理功能。
2 m. o/ s5 T; l% X3 `2 a) q
$ K+ V$ o1 s4 y' i
4 k6 z# X$ `  ?
圖10

結(jié)論
/ h# I7 x& O# m6 D$ [可重構(gòu)應(yīng)用專用PIC代表了向更靈活和多功能集成光電子系統(tǒng)發(fā)展的重要進(jìn)化步驟。通過(guò)增加可調(diào)諧元件如相移器、可變耦合器和可切換路由，這些芯片可以動(dòng)態(tài)調(diào)整其功能以支持多種應(yīng)用。迄今為止展示的關(guān)鍵能力包括可重構(gòu)濾波、真時(shí)延、相移、任意波形生成和頻率合成。
9 m$ Z5 V* l" A+ J# _8 w+ J
9 f) l% p' |  E) P% B6 Q2 L目前的可重構(gòu)PIC仍然主要針對(duì)特定應(yīng)用領(lǐng)域，但趨勢(shì)正朝著更通用的可編程架構(gòu)發(fā)展，這些架構(gòu)可以通過(guò)軟件控制重新配置以實(shí)現(xiàn)各種功能。實(shí)現(xiàn)可編程光電子技術(shù)的全部潛力還需要PIC技術(shù)、調(diào)諧機(jī)制和控制系統(tǒng)的進(jìn)一步進(jìn)步，可重構(gòu)PIC已經(jīng)為射頻和微波光子應(yīng)用提供了更緊湊、高效和適應(yīng)性強(qiáng)的解決方案。

參考文獻(xiàn)
1 L# P$ F+ f  S; Q  G8 k[1] J. Capmany and D. Pérez, "Programmable Integrated Photonics," Oxford University Press, 2020.


0 B$ f4 ]3 M9 N) \7 H% |- END -

+ I% Q( w0 ?6 s3 }3 h軟件申請(qǐng)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(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無(wú)論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)
3 q2 D( v& [* L. B
歡迎轉(zhuǎn)載
! X- @" O( w) E! ~0 Q6 _6 o
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！
5 p6 D3 I# @& X$ r4 \2 I若需原文鏈接，可留言或私信溝通~
& O5 r+ H- C% P1 `: R


7 C5 q' n, U$ Z6 r! X# w0 [8 S/ R

' N7 b; c7 z; e& \  W5 b$ X
& Y2 p3 x+ L- B7 y5 Z/ d) @關(guān)注我們
3 D2 [5 Z/ }4 a1 ?8 }7 e, o
+ p( ~; i# S+ Y: G2 L

0 C0 T7 |9 |" V) K

@7 E: }: x% r: u" s, f 5 L. E0 J# k" s7 G8 b# I( x

- u7 V( }& w$ {6 w

                     

6 Y! m" ?/ F- D$ b: R+ X# z

) @0 x) z% [9 F6 H9 A2 W7 v+ l


關(guān)于我們：
3 X) s) M" q6 H( f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(jì)自動(dòng)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(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)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(jì)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(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)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)。
! M7 E* Z" Y/ ?8 L/ g
5 [; w4 a; k, u! X1 c' rhttp://www.latitudeda.com/
（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）