可編程集成光電子技術在經(jīng)典場景中的應用

逍遙設計自動化

引言可編程集成光電子技術（PIP）能夠在芯片上重新配置光學線路，使單個光電子集成芯片（PIC）能夠執(zhí)行多種功能。本文概述PIP如何應用于光電子技術和微波光子學中的幾個經(jīng)典應用。
( M2 ~5 y! D* [' N- K  g! r1 m光學交換和路由PIP的關鍵應用是長距離通信和短距離數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的光學交換和路由。核心構建模塊是2x2交換單元，可以使用馬赫-曾德干涉儀（MZI）或微機電系統(tǒng)（MEMS）等技術實現(xiàn)。
( m1 d( w! I0 ]- A4 K/ T圖1顯示了2x2交換單元實現(xiàn)和交換結構拓撲的一些例子。三角形交叉點拓撲（圖1c）提供非阻塞操作，但擴展性較差。Spanke-Benes拓撲（圖1d）減少了開關數(shù)量，但僅可重新排列非阻塞。PILOSS拓撲（圖1e）重新獲得嚴格的非阻塞，同時保持良好的可擴展性。

3 C, z5 W# V8 s9 h& s圖1
, Z0 W% \' {# f已經(jīng)使用PIP演示了幾種大規(guī)模交換結構，包括具有1024個MZI單元的32x32 PILOSS交換機（圖2d）和具有144個MZI單元的32x32 Benes拓撲交換機（圖2e）。這些展示了PIP實現(xiàn)大規(guī)�？芍貥嫻鈱W交換的潛力。
) w, D2 t4 M. M) y

圖2

人工智能和神經(jīng)形態(tài)計算PIP為在光學領域?qū)崿F(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）提供了平臺。圖3顯示了人工神經(jīng)元的基本結構和不同的ANN架構。關鍵挑戰(zhàn)是實現(xiàn)神經(jīng)元之間的加權連接。

圖3
一種方法是圖4所示的廣播和加權方案。這里，使用波分復用來實現(xiàn)多個加權連接，可調(diào)諧微環(huán)諧振器（MRR）組提供可重構權重。
& [9 X0 N! j9 o# R) X0 D
圖4

% S8 [% V6 }# C) U' v% r另一種方法使用多端口干涉儀架構來實現(xiàn)前饋ANN，如圖5所示。這允許在輸入和輸出之間編程任意線性變換。
% E# a6 w/ o6 o& |" G
! @2 h/ H5 Q% g
圖5
微波光子技術PIP使得在單個芯片上靈活實現(xiàn)各種微波光子技術功能，圖6顯示了通用光子處理器架構，可以重新配置用于不同的微波光子應用。

圖6
6 M8 x2 S4 ?5 y; _* o% l一些關鍵應用包括：1. 真時延線：這些對波束成形和濾波應用很重要。圖7顯示了如何使用可重構核心實現(xiàn)級聯(lián)光學環(huán)形諧振器或單獨載波調(diào)諧技術。

/ {/ o$ J; @) w9 x& s( D& V# Y圖7
2. RF濾波器：圖8演示了如何使用自同相配置中的級聯(lián)環(huán)形諧振器實現(xiàn)6階RF光子濾波器。
4 L4 F0 p* C9 P' N9 R, F
圖8
3. 微波/毫米波生成：圖9說明了如何實現(xiàn)外部調(diào)制器和光電振蕩器方法來生成高頻RF信號。
% R& t& s/ p  D
/ X, m8 e7 a$ N/ [$ A9 A圖9
4. RF混頻：圖10顯示了使用兩個級聯(lián)調(diào)制器進行RF上/下變頻的配置。

( c' E: j. c0 x7 n, K; J( n) P圖10
$ G' _# ^! y* Z* o$ x5. 波束成形網(wǎng)絡：圖11描繪了如何對離散光學延遲線進行編程以實現(xiàn)相控陣天線饋電。

圖11
6. 瞬時頻率測量：圖12演示了用于測量未知RF頻率的幅度比較函數(shù)方法。
* s6 N( I9 f+ f$ y8 N; L" R
圖12
PIP提供的可重構性允許單個芯片被重新編程用于這些不同的應用，與專用光電子集成芯片相比提供了高度的靈活性。
2 \# R9 Q( M: S光學信號處理PIP還能靈活實現(xiàn)各種光學信號處理功能：1. 模式轉(zhuǎn)換：圖13顯示了一個4x4通用線性光學線路，可以在輸入和輸出之間執(zhí)行任意模式轉(zhuǎn)換。

圖13
6 k' z# i+ |2 o$ l$ h1 H該芯片由一個熱可調(diào)MZI網(wǎng)絡組成，具有用于反饋控制的集成功率監(jiān)視器。圖14演示了其作為4x4交換矩陣的操作。
& ?0 I1 j1 K( P$ }2 z
圖14
2. 模式解擾：圖15說明了基于三角多端口干涉儀架構的4x4模式解擾器，包含透明非接觸集成光子探針（CLIPP）檢測器，用于監(jiān)控和控制。

圖15
0 [0 b; @. l9 I圖16顯示了用于演示在多模波導中混合后解擾四個10 Gb/s數(shù)據(jù)流的實驗設置。
/ R- h$ N: H' s$ i+ t
9 y8 k5 s' R( N/ s: D) S圖16
主要優(yōu)勢和挑戰(zhàn)PIP在經(jīng)典應用中的主要優(yōu)勢包括：

可重構性：單個芯片可以重新編程用于多種功能，降低成本并提高靈活性。

可擴展性：已經(jīng)展示了具有數(shù)百個可調(diào)元件的大規(guī)模線路。

集成：多種功能可以組合在單個芯片上，減少尺寸、重量和功耗。

帶寬：光子實現(xiàn)可以處理比電子對應物高得多的帶寬。[/ol]
然而，也存在一些挑戰(zhàn)：

損耗：可重構線路通常比固定線路具有更高的損耗，這可能影響整體系統(tǒng)性能。

控制復雜性：大規(guī)模PIC需要復雜的控制系統(tǒng)來編程和穩(wěn)定所有可調(diào)元件。

精度：實現(xiàn)光學相位和幅度的高精度控制仍然具有挑戰(zhàn)性。

非線性效應：在光學領域?qū)崿F(xiàn)神經(jīng)元激活函數(shù)等非線性功能仍然困難。
[/ol]
, z2 p  H( q1 [( h- G+ B0 x4 S- v0 R未來展望PIP是快速發(fā)展的領域，對革新經(jīng)典光學和微波光子應用具有巨大潛力。有前景的未來方向包括：

改進的調(diào)諧機制：具有更低功耗、更高速度和更好精度的新型調(diào)諧方法。

先進的控制技術：用于大規(guī)模PIC自動配置和穩(wěn)定的機器學習方法。

異質(zhì)集成：結合不同材料平臺以利用它們各自的優(yōu)勢。

非線性效應：結合非線性光學效應以擴大可實現(xiàn)功能的范圍。

量子應用：將PIP概念擴展到量子信息處理。
[/ol]
隨著PIP技術的成熟，可以期待看到更復雜的片上系統(tǒng)，將多個經(jīng)典和潛在的量子功能組合在單個可重編程光子處理器上。這將使通信、傳感和計算領域中以前用固定光子或電子線路無法實現(xiàn)的新應用成為可能。
參考文獻[1]J. Capmany and D. Pérez, "Programmable Integrated Photonics," Oxford University Press, 2020.

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