可編程光電子集成線路中的路由的Mesh架構(gòu)及其性能

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
  L; M0 B5 a% `$ {& K, ~/ C可編程光電子集成線路(PPICs)正在成為一項(xiàng)具有巨大創(chuàng)新潛力的新興技術(shù)，在量子光學(xué)、通信和機(jī)器學(xué)習(xí)等多個(gè)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。這些線路可以被編程執(zhí)行各種功能，無(wú)需定制設(shè)計(jì)，有望徹底改變我們?cè)谛酒�上操縱光的方式。本文將探討PPICs的不同架構(gòu)，重點(diǎn)關(guān)注其路由能力以及各種因素對(duì)性能的影響。
4 A) J+ ~0 X, M$ y% |; c  n1 Q

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Mesh架構(gòu)
! H4 a7 I/ `- X1 H1 w' U1 EPPIC的核心是由波導(dǎo)和可調(diào)諧耦合器組成的mesh結(jié)構(gòu)。這些耦合器可以被編程為不同的狀態(tài)（直通、交叉或耦合），從而靈活控制線路中的光流。這些組件的排列形成了mesh架構(gòu)，對(duì)線路的路由能力有顯著影響。

讓我們來(lái)檢視四種主要的mesh架構(gòu)：

三角形tile

方形tile

六邊形tile

環(huán)連接直線(RCSL)
[/ol]

6 G- \' E: `. ]" Q! y- w
圖1展示了這四種架構(gòu)。
- {9 ?2 F. p: l! X/ I每種架構(gòu)都有其獨(dú)特的特征，影響路由性能：
  F3 a% q; J+ `/ T3 c
1. 三角形tile（圖1a）：這種架構(gòu)使用最小的規(guī)則形狀進(jìn)行鋪設(shè)。然而，它傾向于為光信號(hào)創(chuàng)建低效的之字形路徑。
7 B' r2 S$ H8 n# R+ J' b. S
6 B1 k) A( ~& \, J* b4 C2. 方形tile（圖1b）：一種常見(jiàn)且簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，但在某些路由情況下可能導(dǎo)致不必要的長(zhǎng)路徑。

3. 六邊形tile（圖1c）：這種架構(gòu)在路由方面提供了更多的靈活性，通常被認(rèn)為是最有潛力的設(shè)計(jì)。

4. 環(huán)連接直線（圖1d）：這項(xiàng)研究中引入的一種新型設(shè)計(jì)，旨在提供高效的直線路由選項(xiàng)。


光電子Mesh中的路由
  p4 n0 \& v7 {/ x5 qPPICs中的路由涉及通過(guò)mesh將光從源端口引導(dǎo)到目標(biāo)端口。每個(gè)可能的連接都可以表示為一個(gè)圖，外部端口作為將光耦合進(jìn)出mesh的接口。
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4 o3 M, S" s, o; v9 R
圖2顯示了六邊形波導(dǎo)mesh中可能連接的圖形表示。彩色節(jié)點(diǎn)代表外部端口，而內(nèi)部連接說(shuō)明了光在mesh中可能采取的路徑。

7 l% n* F  x# I  A比較Mesh架構(gòu)
為了評(píng)估不同mesh架構(gòu)的性能，我們需要考慮幾個(gè)因素：
- e- v# n, u2 K7 f! P
$ Y; x$ x: |* k. ^* N+ }0 j1. 最大可路由commodities數(shù)：這個(gè)指標(biāo)表示mesh可以支持多少個(gè)同時(shí)連接。

1 X8 \. z% @1 C+ Y- Y( K圖3顯示了不同mesh架構(gòu)的平均最大可路由commodities數(shù)。六邊形tile和RCSL設(shè)計(jì)始終優(yōu)于三角形和方形tile。

2. 平均路徑長(zhǎng)度：這個(gè)指標(biāo)通過(guò)考慮信號(hào)必須通過(guò)的耦合器數(shù)量來(lái)衡量路由效率。
0 z- a1 A- W/ `- c) p9 S
圖4顯示了不同架構(gòu)的平均路徑長(zhǎng)度。RCSL設(shè)計(jì)平均提供更短的路徑，而三角形tile導(dǎo)致顯著更長(zhǎng)的路徑。

3. 路由效率：這可以表示為實(shí)際路徑長(zhǎng)度與端口之間理想直線距離的比率。
) J. \6 J* q  R5 d' A4 F1 l3 E
圖5說(shuō)明了不同架構(gòu)的這種效率比率。較低的值表示更高的路由效率。RCSL和六邊形tile的表現(xiàn)通常優(yōu)于方形或三角形tile。
5 z3 _( ~3 Y8 I
0 Z% w; [* |; [3 i* t特定路由場(chǎng)景中的性能
2 o, s1 ]/ W  G% M0 V6 O雖然隨機(jī)路由模式提供了一般性能概覽，但特定路由場(chǎng)景可以突出不同架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。

6 r1 Q: A& S# K) R& b, P# b7 r圖6

圖6顯示了三種預(yù)定義的路由模式：
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類型I：平行的南北和東西連接

類型II：交叉對(duì)角線連接

類型III：只有南北連接

  I) V: k. N& f% I

圖7展示了不同架構(gòu)在這些特定場(chǎng)景中的表現(xiàn)。值得注意的是，RCSL在類型I模式中表現(xiàn)出色，而方形tile在類型III模式中表現(xiàn)出人意料的好。
; p% e# X, Q1 `+ ]8 O
) S+ d* m' y- j; u損壞對(duì)Mesh性能的影響
' W& p0 }7 y% I在實(shí)際應(yīng)用中，PPICs可能會(huì)受到制造缺陷或運(yùn)行過(guò)程中的損壞。了解這些問(wèn)題如何影響路由能力對(duì)設(shè)計(jì)穩(wěn)健系統(tǒng)非常重要。
6 x/ H; W; O1 @
4 {9 B* b3 G. q9 `考慮了三種主要的耦合器故障類型：

完全故障（100%衰減）

卡在交叉模式

卡在直通模式
/ R7 @9 ?3 H" c5 B3 {" o9 z[/ol]


圖8說(shuō)明了這些不同的故障模式與正常功能的耦合器的比較。
( z0 ~- N6 y* `" K5 M% S
這些故障對(duì)路由性能的影響差異很大：

$ u2 F  K, ~$ @% h; B+ i/ a
/ w7 f9 d3 _: g( f3 }1 ^7 U圖9顯示了不同類型和程度的損壞如何影響路由能力。

/ g, f7 O" B/ }( {一些關(guān)鍵觀察：

卡在交叉模式的耦合器（圖14a）在約50%的耦合器受影響之前影響相對(duì)較小。

卡在直通模式的耦合器（圖14b）導(dǎo)致性能更快下降。

完全耦合器故障（圖14c）影響最嚴(yán)重，僅15%的故障耦合器就導(dǎo)致50%的路由能力損失。


0 Y& R$ }6 o9 O" ?" F) [+ E6 Y可靠性設(shè)計(jì)
' b1 d( n- t7 o% M了解損壞的影響使設(shè)計(jì)者能夠在其PPIC設(shè)計(jì)中加入適當(dāng)?shù)娜哂�。例如，如果已知制造過(guò)程的良率為90%（10%的耦合器不完美），其中一半的不完美導(dǎo)致完全故障，另一半卡在交叉模式，則應(yīng)將mesh大小增加約25%以保持所需的性能水平。
& Z/ c1 t6 q  a0 v; p" F

( {! ]8 E! Z2 P7 a結(jié)論
本文提供了可編程光電子集成線路中路由的概述，重點(diǎn)關(guān)注mesh架構(gòu)對(duì)性能的影響。主要要點(diǎn)包括：

六邊形tile mesh提供了最佳的整體路由能力，尤其是對(duì)于復(fù)雜的路由場(chǎng)景。

新型的環(huán)連接直線（RCSL）架構(gòu)在需要較短路徑長(zhǎng)度的場(chǎng)景中顯示出潛力，特別是當(dāng)mesh預(yù)期不會(huì)被密集使用時(shí)。

不同類型的耦合器故障對(duì)mesh性能的影響各不相同，完全故障的影響最為嚴(yán)重。

設(shè)計(jì)者可以利用這些信息選擇適當(dāng)?shù)募軜?gòu)，并根據(jù)預(yù)期的制造良率和故障模式加入必要的冗余。
& v- X1 f" _/ h1 @
隨著PPICs的不斷發(fā)展，理解路由和mesh設(shè)計(jì)的這些基本方面對(duì)于為廣泛的應(yīng)用開(kāi)發(fā)高效可靠的光電子系統(tǒng)將非常重要。

9 S( c1 V. ?. d& P) E+ W7 X4 K* V
# |9 m* V6 ~  Q$ v5 D/ X4 K參考文獻(xiàn)
7 S: \8 @5 h% W  X# O+ {  e+ b: R[1] F. Vanden Kerchove, D. Colle, W. Tavernier, W. Bogaerts and M. Pickavet, "Routing impact of architecture and damage in programmable photonic meshes," Photonics Research, vol. 12, no. 9, pp. 1999-2011, Sep. 2024.
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