可編程光電子集成芯片的具體實(shí)現(xiàn)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
" w! p/ U* L, c( c( _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)。
9 c8 e+ G- r3 X& ?5 x5 v& K實(shí)驗(yàn)演示
0 s9 X" b( n' J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]
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]
這些演示通過(guò)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。
& w( y0 C5 ?# b' M  F7 P
圖1

" [, ]" s6 p0 `& c; X- V, Y' l圖2

# U4 B6 g% Q( K2 U1 t* a! d圖3
. N  o; O9 w. B4 K* e( g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(guò)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]
6 M4 A" H, o2 U9 |5 I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]
/ S4 V8 Z+ @% p# |圖4顯示了耦合器和相位誤差對(duì)TBU性能的影響：

7 G+ c% s: O" S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。
5 k6 z  @! B- A; I% ?# O, t6 i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：

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]
8 N+ J( f! W9 U0 H, Q5 E4 c  _' O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。
" {$ x5 M6 h: z+ l$ |/ ~( D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(guò)網(wǎng)格的最佳路徑[/ol]
圖6顯示了編程波導(dǎo)網(wǎng)格的典型工作流程：

圖6
' m9 M+ @: |0 B6 F( J可以使用梯度下降等高級(jí)優(yōu)化技術(shù)來(lái)配置復(fù)雜功能。圖7演示了1x8分束器的優(yōu)化：

- s# i# n7 A8 f& t" n% |% m圖7
實(shí)際例子為說(shuō)明編程過(guò)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：
0 f/ m6 h& m8 R- V4 g
4 H* B: E+ |$ p圖8
: B/ k) D- J0 N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]
+ d& x* |5 p8 P6 `$ z/ B0 L通過(guò)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。
未來(lái)展望可編程PIC正在快速發(fā)展，未來(lái)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?yè)p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]
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)。克服損耗、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(lái)新的應(yīng)用。
! z. n/ ~# g' V. `參考文獻(xiàn)[1]J. Capmany and D. Pérez, "Programmable Integrated Photonics," Oxford University Press, 2020.
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