|
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。; w8 ^/ t* _. }
, J' R# N! P3 ~! F0 e! q
幺正變換基礎(chǔ), R) |. H! a* T
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。
$ `+ ~ e' _' ~1 F5 g* f& `- ]& G
9 F! q2 j5 ^% P3 Q) }0 x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。* d# P! y- j' D, U* _9 ^ r5 w R3 P3 k8 w
[/ol]
$ k1 e$ n" R$ C; P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。2 c7 F( z& B4 g5 M- }' ^
0 ^5 c+ I# ] B& U T6 S
三角形干涉儀設(shè)計
5 Y- l/ v- V8 c6 Q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。+ e( h/ a1 \& i! y
. _8 n8 a& t' J q+ `
" s! G: q( E z9 o
5un3evlrgt164010893842.png (119.92 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊
5un3evlrgt164010893842.png
2024-9-17 13:34 上傳
8 c4 z; E" l) E2 E圖1
/ n3 r! p9 O, p! d y& ^/ b; q# }
* t& p: D& w7 |* U+ m1 j' X# e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。
. |$ D- r$ Y+ H. o9 \+ Q' X0 ][/ol]) [+ u8 K6 M ]7 g' q
這個過程將U分解為波束分離器操作和相移的乘積:
# K" m% F y/ GU = D Π[Tij]( v' J* ]" A/ ]5 b; q% c0 \3 O, h I
其中D是相移的對角矩陣,Tij表示2×2波束分離器變換。 J! a. L: I7 H
3 z! Z2 @ v7 x9 z6 `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。
0 c5 Z% ^8 o9 h" d. ^: G9 X3 S
5 i2 ]$ g! N. H2 U) G) J* T矩形干涉儀設(shè)計
z, \5 A) f" [& t- R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:7 t3 D8 L6 _$ y- \1 M" T9 X3 ?9 i! J( L
/ W6 k' f9 F7 Y6 g3 o' m
. j1 @% w/ Q" [6 B$ j
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
7 V5 ~# r$ |' E( z+ W+ ^* ^1 d7 b
圖2
- v/ h; p) y5 f6 P @6 s9 G: `: ^: E# x/ R% J0 e b1 n
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
( T' B9 G2 c! }; c O2 y
* d+ @- o C* R) v6 Q1 r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:$ A4 d2 [4 M7 s: d! B
U = D' Π[Tmn]' ~; N, Z. h# ?
其中D'仍然是對角相移矩陣,Tmn是2×2波束分離器操作。
; O7 Z7 l- k4 u. m; S
+ k# Q, m' ^7 i0 ]- `/ Z集成實現(xiàn)5 N" } r4 b* T) o7 t B
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。
7 t5 j4 O$ M4 Z3 n" G! d4 c% o+ Y, m8 T
, @, x. E( K5 U. k% V8 b
wsuhpm03hkn64010894042.png (471.11 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊
wsuhpm03hkn64010894042.png
2024-9-17 13:34 上傳
/ l) Q# t# f: u- w- }9 }+ o% s& ]# R4 ?圖3
0 R; r7 b% |# v% H) A7 u, h* f, \9 u/ H- @6 M% P1 Z
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。1 l a0 ^ s. N9 U4 N" i/ J
8 l( F4 G+ j: w7 i2 l' ^( h
6 ?4 k5 R6 R: O6 L- j+ C9 H快速傅里葉變換干涉儀
% L1 S0 w- n- y+ @* `4 O& Y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。& D! ~0 F/ w5 H% q7 r
* C( O: e3 Q( D0 C- g3 g) S
圖4說明了4×4 FFT干涉儀的設(shè)計:
: N7 M7 @( ? i9 N3 T. N: J& S! }. i" O0 k2 [) Y q. X$ I K
ctsmusgpxgt64010894142.png (131.43 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊
ctsmusgpxgt64010894142.png
2024-9-17 13:34 上傳
, s. Z* w. o h% R0 a* T7 X8 P圖4; z) p# G- x s8 t3 _
* |& S3 k+ U4 D e; g+ wFFT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。
' n% p! f" F3 C! e. K+ o4 M0 y" U O4 ~8 j) q) o3 X! F8 |7 Q
* e8 I8 ~+ Q: C- s線性通用組件
" O( b, ]' I& K8 E- \& j" }( \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:" x6 }& ]( g: A7 |% F
; M* y* _# J. M; T! x
5 z6 u: m- S# A3 W4 B! ]2 a" F& u
dlx1cyx2ua064010894243.png (175.57 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊
dlx1cyx2ua064010894243.png
2024-9-17 13:34 上傳
: R9 F' a: z! @- M9 S; S
圖5- c8 I# k3 P; b' z
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
/ A+ T$ }6 L1 M* t( U[/ol]! M8 _' c( }) M0 f9 k$ c
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。. ]4 i1 M# I3 c0 q
5 \' ]% [' y# z0 J3 p
LUC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:
# U0 h: L3 h/ O; p. i: ^% k* d7 h2 q, O
bjrejtfpkvo64010894343.png (215.61 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊
bjrejtfpkvo64010894343.png
2024-9-17 13:34 上傳
7 f6 A; s) A' g4 ?, ]圖6
$ P t9 a) j7 X: a6 k$ i, q
4 ^ d' T ^' K s基準(zhǔn)測試和比較2 K+ s. s- f* z. O
在比較不同的多端口干涉儀設(shè)計時,關(guān)鍵指標(biāo)包括:8 \+ S1 l' v4 j6 H
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3 ]8 a' a* Q' |+ |' K q
# b! m0 e4 h( w0 }% y& N6 J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。' g( w6 b7 Z& h3 \* r) W
5 w9 E( @- u' z1 X" {
ozermioww5o64010894443.png (202.03 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊
ozermioww5o64010894443.png
2024-9-17 13:34 上傳
# I( [5 C5 o( T C( n t表1
; F4 F5 F" I0 ] s0 z$ b- u& ?' X" k \ a- [9 {5 o9 a' ~
結(jié)論) f7 `) D1 N8 k# f& W! ` x+ K
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。/ S; W6 O5 D# O# \
9 L( g+ v% g- X/ G |
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。8 L5 d0 P9 ]7 o3 O0 {) ?# p
% O7 U2 n+ p- m" P/ g1 v- v& u
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。
9 Z% p! n* W( @1 ]0 y+ L
8 u& A% ~+ U+ j5 G* v5 }3 A: s/ |- H8 ~5 ]% ~' W
參考文獻' p5 `, H/ o5 w2 J/ P& z
[1]J. Capmany and D. Pérez, "Programmable Integrated Photonics," Oxford University Press, 2020.
5 @# Y, m* c! D% a) ?% g1 F* F4 x a) O& H
- END -
2 s6 r6 s9 o! ~, t* A' Z# I( P, r2 z3 h
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。
7 m3 a& g6 M5 p9 M點擊左下角"閱讀原文"馬上申請
) p2 y5 ] F) T0 B" y- ~8 S5 J0 t7 k, y/ j% M
歡迎轉(zhuǎn)載
2 x y+ K) \3 B1 W0 h3 M) a8 O. U7 z
轉(zhuǎn)載請注明出處,請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!+ c7 K6 C2 f( n) W( n
; @! ~& a. Y& T( k2 v
% Y4 H) p2 N; F! I- f' h0 M% {, r9 ?. a
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
# \) F# l* m3 `8 k) H3 A
. U6 Y/ g7 v B1 D7 p7 M7 L$ h
關(guān)注我們! N9 H( Q5 U' }) |/ O3 Y8 f* [
) s' ]+ |. v, W. ~
N. E& @" D$ ]; E6 v ~
a4nhs1yeqpm64010894643.png (31.33 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊
a4nhs1yeqpm64010894643.png
2024-9-17 13:34 上傳
2 p. T! u1 L5 a$ Q$ D5 W: R8 i. V | * P$ K" y/ ?% w; }( r) K- B
ywweupuc51164010894743.png (82.79 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊
ywweupuc51164010894743.png
2024-9-17 13:34 上傳
( {* z p ^! g/ u. P# H
| 2 w( Q- \" e1 A4 j
mbrpqoxzmbr64010894843.png (21.52 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊
mbrpqoxzmbr64010894843.png
2024-9-17 13:34 上傳
5 w# \1 h% I, [7 G$ P" j2 ]
|
( E; ^ s! _3 p p" `# [5 r% l; F0 _! h6 W$ E6 @! l" W/ ]
. j) h6 U$ p( z8 m
% J3 M) |0 H+ R4 q2 `
關(guān)于我們:. m2 j: Q" Q8 }& ?
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)。
2 k8 ?' P" J/ G: E9 C
* K- ]* `- d- T+ J2 d$ c& qhttp://www.latitudeda.com/
( | K' C, |7 s( h) z(點擊上方名片關(guān)注我們,發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容) |
|