可編程光電子集成線路中的路由的Mesh架構及其性能

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引言
9 ]2 Q3 e, m* q' H( M5 `. F7 ?7 D可編程光電子集成線路(PPICs)正在成為一項具有巨大創(chuàng)新潛力的新興技術，在量子光學、通信和機器學習等多個領域有廣泛應用。這些線路可以被編程執(zhí)行各種功能，無需定制設計，有望徹底改變我們在芯片上操縱光的方式。本文將探討PPICs的不同架構，重點關注其路由能力以及各種因素對性能的影響。

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Mesh架構
PPIC的核心是由波導和可調諧耦合器組成的mesh結構。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，對線路的路由能力有顯著影響。
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2 a% i% k$ Z1 L: _* \讓我們來檢視四種主要的mesh架構：

三角形tile

方形tile

六邊形tile

環(huán)連接直線(RCSL)
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! e( q& n* n2 e' l圖1展示了這四種架構。
3 O+ N& O& S8 P& f" Q5 M; M7 V% f每種架構都有其獨特的特征，影響路由性能：
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1. 三角形tile（圖1a）：這種架構使用最小的規(guī)則形狀進行鋪設。然而，它傾向于為光信號創(chuàng)建低效的之字形路徑。
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. t$ O- S* O) n3 i0 G  i2. 方形tile（圖1b）：一種常見且簡單的設計，但在某些路由情況下可能導致不必要的長路徑。

  f& R0 ~; k. n" X. j" _3. 六邊形tile（圖1c）：這種架構在路由方面提供了更多的靈活性，通常被認為是最有潛力的設計。
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0 E7 g. `$ l" C4. 環(huán)連接直線（圖1d）：這項研究中引入的一種新型設計，旨在提供高效的直線路由選項。
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光電子Mesh中的路由
PPICs中的路由涉及通過mesh將光從源端口引導到目標端口。每個可能的連接都可以表示為一個圖，外部端口作為將光耦合進出mesh的接口。


& e- U  X) i. ^圖2顯示了六邊形波導mesh中可能連接的圖形表示。彩色節(jié)點代表外部端口，而內部連接說明了光在mesh中可能采取的路徑。
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比較Mesh架構
為了評估不同mesh架構的性能，我們需要考慮幾個因素：
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1. 最大可路由commodities數(shù)：這個指標表示mesh可以支持多少個同時連接。

% q* R  |& `% G; x圖3顯示了不同mesh架構的平均最大可路由commodities數(shù)。六邊形tile和RCSL設計始終優(yōu)于三角形和方形tile。
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2. 平均路徑長度：這個指標通過考慮信號必須通過的耦合器數(shù)量來衡量路由效率。
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圖4顯示了不同架構的平均路徑長度。RCSL設計平均提供更短的路徑，而三角形tile導致顯著更長的路徑。
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3. 路由效率：這可以表示為實際路徑長度與端口之間理想直線距離的比率。

圖5說明了不同架構的這種效率比率。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。
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1 l; I3 B4 ]7 ^( l特定路由場景中的性能
雖然隨機路由模式提供了一般性能概覽，但特定路由場景可以突出不同架構的優(yōu)缺點。
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圖6

圖6顯示了三種預定義的路由模式：

類型I：平行的南北和東西連接

類型II：交叉對角線連接

類型III：只有南北連接
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3 N4 g9 J, }2 z5 n圖7展示了不同架構在這些特定場景中的表現(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。
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損壞對Mesh性能的影響
在實際應用中，PPICs可能會受到制造缺陷或運行過程中的損壞。了解這些問題如何影響路由能力對設計穩(wěn)健系統(tǒng)非常重要。

6 g& q0 E. s) u; _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
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. u3 }1 h# [! p" V+ T
. O* M: U8 Y3 _2 b9 Q# E8 ]4 z- `圖8說明了這些不同的故障模式與正常功能的耦合器的比較。
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這些故障對路由性能的影響差異很大：
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圖9顯示了不同類型和程度的損壞如何影響路由能力。

) c0 r# {$ X  s( W, s# V0 z一些關鍵觀察：

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較小。

卡在直通模式的耦合器（圖14b）導致性能更快下降。

完全耦合器故障（圖14c）影響最嚴重，僅15%的故障耦合器就導致50%的路由能力損失。
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9 i4 `5 x+ d$ z% o6 l4 a5 `可靠性設計
了解損壞的影響使設計者能夠在其PPIC設計中加入適當?shù)娜哂唷＠�如，如果已知制造過程的良率為90%（10%的耦合器不完美），其中一半的不完美導致完全故障，另一半卡在交叉模式，則應將mesh大小增加約25%以保持所需的性能水平。

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結論
本文提供了可編程光電子集成線路中路由的概述，重點關注mesh架構對性能的影響。主要要點包括：
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六邊形tile mesh提供了最佳的整體路由能力，尤其是對于復雜的路由場景。

新型的環(huán)連接直線（RCSL）架構在需要較短路徑長度的場景中顯示出潛力，特別是當mesh預期不會被密集使用時。

不同類型的耦合器故障對mesh性能的影響各不相同，完全故障的影響最為嚴重。

設計者可以利用這些信息選擇適當?shù)募軜�，并根�?jù)預期的制造良率和故障模式加入必要的冗余。

隨著PPICs的不斷發(fā)展，理解路由和mesh設計的這些基本方面對于為廣泛的應用開發(fā)高效可靠的光電子系統(tǒng)將非常重要。
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參考文獻
[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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