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引言
( Q; d* @' z0 n i) Y3 L" N) _& L f可編程光電子集成芯片(PIC)成為在芯片上實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)的強(qiáng)大平臺(tái),本文概述了可編程PIC實(shí)際實(shí)現(xiàn)的主要考慮因素和挑戰(zhàn),重點(diǎn)關(guān)注多端口干涉儀和波導(dǎo)網(wǎng)格架構(gòu)。
' a2 P0 J6 v. n. Y$ X實(shí)驗(yàn)演示
, B% }: Q, s1 w! k4 ~2 z3 h! D早期的實(shí)驗(yàn)演示展示了可編程PIC的潛力:多端口干涉儀:硅基15個(gè)可調(diào)基本單元(TBU)的6x6三角形排列[圖1a]硅基9個(gè)TBU的4x4三角形排列[圖1b]硅基88-MZI梯形排列[圖1e]
5 o( e5 }, a- H$ ^波導(dǎo)網(wǎng)格:基于氮化硅光電子的7個(gè)TBU的2單元方形拓?fù)鋄圖2a]基于硅基光電子的30個(gè)TBU的7單元六角形拓?fù)鋄圖2b]基于氮化硅光電子的40個(gè)TBU的10單元六角形拓?fù)鋄圖2c]) Y8 |9 ?; c% s8 X- u. U% f1 |" J
這些演示通過編程網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)了各種光學(xué)功能,如濾波器、分束器和線性變換。例如,圖3顯示了在六角形網(wǎng)格中實(shí)現(xiàn)環(huán)形諧振器濾波器。+ u, U" k8 U8 ?- h$ r7 {5 C
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( b# ]0 I: u* }6 b圖1
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圖2) N3 c t# i5 d+ q
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' A" J/ K6 t& `, e. b) c3 T圖34 }" X' n; ^/ ?7 g) Q! \. V
擴(kuò)展考慮因素隨著可編程PIC擴(kuò)展到更大規(guī)模,幾個(gè)因素限制了其性能:累積損耗:總損耗隨著穿過的TBU數(shù)量增加而增加。例如,每個(gè)TBU損耗0.2 dB時(shí),10 dB總損耗預(yù)算限制最大路徑長(zhǎng)度約為50個(gè)TBU。占用面積:芯片面積限制了可以集成的最大TBU數(shù)量。當(dāng)前設(shè)計(jì)限制在約20-400 mm2范圍內(nèi)。功耗:總功耗隨著活躍TBU數(shù)量增加而增加。熱調(diào)諧通常每個(gè)TBU需要10-30 mW。電氣布線:對(duì)于大規(guī)模集成,連接每個(gè)TBU的電信號(hào)變得具有挑戰(zhàn)性。需要多層布線。TBU性能:?jiǎn)蝹(gè)TBU的插入損耗、串?dāng)_和調(diào)諧精度影響整體系統(tǒng)性能。[/ol]
% H" ~: I. l9 v誤差源及影響幾個(gè)誤差源影響可編程PIC的性能:波導(dǎo)變化:制造缺陷導(dǎo)致波導(dǎo)幾何形狀和有效折射率偏差。溫度漂移:環(huán)境溫度變化和致動(dòng)器之間的熱串?dāng)_影響相位。驅(qū)動(dòng)信號(hào)漂移:電驅(qū)動(dòng)器的精度有限和噪聲導(dǎo)致相位誤差。器件非理想性:TBU中不完美的分束比、相位控制和損耗在線路中累積。[/ol]# L" k" `" H) w _7 @, o p
圖4顯示了耦合器和相位誤差對(duì)TBU性能的影響:
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+ P* j: j7 _' h5 r) z圖4這些誤差導(dǎo)致消光比下降、串?dāng)_增加以及偏離理想線路行為。需要仔細(xì)表征和校準(zhǔn)以減輕其影響。
) O& G0 Q: L' E! D6 j3 ^! y; m; t, M( `監(jiān)控和控制架構(gòu)閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)配置和優(yōu)化可編程PIC很有必要:
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# g' |9 y9 N+ }; X* u
圖5主要組件包括:處理單元(PU):運(yùn)行算法確定最佳線路配置多通道電子驅(qū)動(dòng)陣列(MEDA):為致動(dòng)器提供電信號(hào)多通道電子監(jiān)控陣列(MEMA):讀取各點(diǎn)的光功率[/ol]
# y a- g$ F) I+ X$ j* w該系統(tǒng)能夠根據(jù)變化的條件或要求動(dòng)態(tài)重構(gòu)和優(yōu)化PIC。
% z$ `: W. @- u1 A G1 m( m+ `軟件框架軟件層對(duì)充分發(fā)揮可編程PIC的潛力很重要。主要方面包括:表征:映射每個(gè)TBU的響應(yīng)線路合成:確定所需功能的TBU設(shè)置的算法優(yōu)化:改進(jìn)性能和補(bǔ)償誤差的迭代方法自動(dòng)布線:為給定規(guī)格找到通過網(wǎng)格的最佳路徑[/ol]2 F9 u4 P$ L: d$ A, S$ a
圖6顯示了編程波導(dǎo)網(wǎng)格的典型工作流程:
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' X: S! i5 w3 t- I2 E8 F圖6: |; O& k& w6 c+ @; V+ S
可以使用梯度下降等高級(jí)優(yōu)化技術(shù)來配置復(fù)雜功能。圖7演示了1x8分束器的優(yōu)化:
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圖7
+ o9 z$ s7 z* f6 A實(shí)際例子為說明編程過程,考慮在7單元六角形網(wǎng)格上實(shí)現(xiàn)多個(gè)光學(xué)功能:( p1 t+ g* g' d6 {
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4 A' [- [; W" y圖8# K7 A% m6 Q1 a X- z
這個(gè)例子顯示:配置12-TBU環(huán)形諧振器(配置1)重構(gòu)為4-TBU馬赫-曾德干涉儀(配置2)6-TBU環(huán)和2-TBU MZI同時(shí)操作(配置3)[/ol]
. O/ n% G6 ?+ e; p4 n通過調(diào)整每個(gè)TBU的驅(qū)動(dòng)電流實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)重構(gòu)。得到的光譜響應(yīng)展示了可編程架構(gòu)的多功能性。+ B4 M, q4 p' D) }1 G+ ^# w$ e
未來展望可編程PIC正在快速發(fā)展,未來發(fā)展的幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域包括:擴(kuò)展:集成更多TBU(>1000),同時(shí)管理損耗和功耗改進(jìn)TBU:降低單個(gè)單元的插入損耗、串?dāng)_和功耗新型調(diào)諧機(jī)制:探索熱光調(diào)諧的替代方案,實(shí)現(xiàn)更快、更高效的操作高級(jí)控制:實(shí)施機(jī)器學(xué)習(xí)和自適應(yīng)算法以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健操作混合架構(gòu):將可編程網(wǎng)格與專用高性能構(gòu)建模塊相結(jié)合[/ol]
0 v/ {* z8 X7 D$ N/ m結(jié)論可編程PIC為在芯片上實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)提供了靈活性。當(dāng)前的演示已顯示出巨大潛力,但在擴(kuò)展到更大、更復(fù)雜的系統(tǒng)方面仍存在重大挑戰(zhàn)?朔䲟p耗、功耗和控制復(fù)雜性的限制對(duì)實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的全部潛力很重要。創(chuàng)新光電子設(shè)計(jì)、先進(jìn)控制系統(tǒng)和復(fù)雜軟件框架的結(jié)合將推動(dòng)可編程PIC的持續(xù)發(fā)展,為通信、傳感和信息處理等領(lǐng)域帶來新的應(yīng)用。
3 [ r" G5 n: d q9 Q; T參考文獻(xiàn)[1]J. Capmany and D. Pérez, "Programmable Integrated Photonics," Oxford University Press, 2020.% s" h& j6 e$ E' a
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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)。
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