可編程集成光電子技術在經典場景中的應用

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典應用。
- d( D& [5 P4 N6 K光學交換和路由PIP的關鍵應用是長距離通信和短距離數據中心網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。
9 k  p: }1 y/ x; V8 A圖1顯示了2x2交換單元實現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。

6 r6 v5 l, C$ X: F' @圖1
1 ]% j: C) ~3 T- o* }已經使用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實現大規(guī)�？芍貥嫻鈱W交換的潛力。
; x, Q: H" E$ T, ?
7 Z! E- Q5 K9 v
圖2

人工智能和神經形態(tài)計算PIP為在光學領域實現人工神經網絡（ANN）提供了平臺。圖3顯示了人工神經元的基本結構和不同的ANN架構。關鍵挑戰(zhàn)是實現神經元之間的加權連接。
# J$ Z, r8 g: t1 z' O  ^+ `
3 O4 [/ C4 F) q( l/ Q* g6 P" \圖3
- c4 F0 M, @$ C1 M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多個加權連接，可調諧微環(huán)諧振器（MRR）組提供可重構權重。

圖4
" y6 X3 ]) w) j& I: \3 ^5 t9 ~
另一種方法使用多端口干涉儀架構來實現前饋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。


$ m4 f# s4 M9 F/ s+ ^- H圖5
微波光子技術PIP使得在單個芯片上靈活實現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。

) i/ x/ G6 U1 P! F; D圖6
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級聯光學環(huán)形諧振器或單獨載波調諧技術。

/ J( I  d  `' I/ F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環(huán)形諧振器實現6階RF光子濾波器。
% F: q  G( Z, i! {6 B3 A
9 B) j, W0 x) x/ a圖8
3. 微波/毫米波生成：圖9說明了如何實現外部調制器和光電振蕩器方法來生成高頻RF信號。

圖9
" w8 c, w3 r7 j4. RF混頻：圖10顯示了使用兩個級聯調制器進行RF上/下變頻的配置。

+ _. V% `' X+ y$ [% p- E% ^; ~圖10
5. 波束成形網絡：圖11描繪了如何對離散光學延遲線進行編程以實現相控陣天線饋電。
% N2 d; ?2 s. @2 G# `
" j: i: Z9 K! Z+ J- z0 w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方法。

圖12
  _& M+ E+ W) E7 [7 W& WPIP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。
光學信號處理PIP還能靈活實現各種光學信號處理功能：1. 模式轉換：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)行任意模式轉換。
9 [7 m& _1 l; m5 J8 @
圖13
) m- J5 s& R, a5 U該芯片由一個熱可調MZI網絡組成，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。

圖14
& x/ _" G2 A/ m3 E2. 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。
( v; }. H% D1 U6 D
- c! b) n* d" ]6 \/ K/ e8 r4 P圖15
2 J5 Z* ?! |( P3 k0 f' P; E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數據流的實驗設置。
, I. `/ T; m: C; o% h: S
8 m$ w' R1 c2 _& L. N3 Z7 O% U圖16
/ w: u# T. |  P% x( U: H主要優(yōu)勢和挑戰(zhàn)PIP在經典應用中的主要優(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：已經展示了具有數百個可調元件的大規(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)定所有可調元件。

精度：實現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：在光學領域實現神經元激活函數等非線性功能仍然困難。
( \5 E0 l7 F% {( ]7 E# r+ N[/ol]
未來展望PIP是快速發(fā)展的領域，對革新經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：

改進的調諧機制：具有更低功耗、更高速度和更好精度的新型調諧方法。

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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