可編程集成光電子技術(shù)概述

逍遙設(shè)計自動化

引言
# P- ]5 X' F. V, F" O可編程集成光電子技術(shù)（PIP）是新興領(lǐng)域，旨在創(chuàng)建可在芯片上重新配置的光電子線路[1]。類似于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）革新電子電路設(shè)計，PIP實現(xiàn)靈活且可適應(yīng)的光電子集成芯片（PIC），可以針對不同應(yīng)用進行重新編程。本文概述PIP的關(guān)鍵概念、技術(shù)和應(yīng)用。
% @; S  Z" ^, W0 U% T! g) Q核心概念：波導(dǎo)網(wǎng)格PIP的核心是波導(dǎo)網(wǎng)格的概念 - 可動態(tài)重構(gòu)的2D互連光波導(dǎo)陣列。基本構(gòu)建塊是可調(diào)諧基本單元（TBU），由兩個通過可調(diào)諧元件（如馬赫-曾德干涉儀（MZI））耦合的波導(dǎo)組成。通過控制每個TBU的耦合比和相位，光可以以任意方式通過網(wǎng)格路由，以實現(xiàn)不同的線路拓?fù)洹?font class="jammer">9 O$ d: Q: I- |4 t5 r) c
圖1顯示不同波導(dǎo)網(wǎng)格排列的示例，包括三角形、矩形、正方形和六邊形拓?fù)�。六邊形網(wǎng)格為實現(xiàn)前饋和反饋光路提供了最大的靈活性。
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圖1圖2說明了六邊形單元的結(jié)構(gòu)和TBU的不同操作模式。每個TBU可以被編程為交叉開關(guān)、直通開關(guān)或可調(diào)諧耦合器。

% I2 A: ~- {0 z3 y! }( x圖2

; ?! C1 q1 ?6 e' e" z8 w: X制造技術(shù)PIP電路可以使用與傳統(tǒng)PIC相同的材料平臺制造。三個主要選項是：1.磷化銦（InP）：提供有源和無源組件的單片集成，但損耗較高。2.絕緣體上硅（SOI）：利用CMOS制造工藝，實現(xiàn)高密度集成，但缺乏原生光源。3.氮化硅（Si3N4）：提供非常低的傳播損耗，但需要有源組件的混合集成。
  L( D0 {$ N, A6 U  h圖3顯示了這三個平臺典型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的橫截面。

圖3幾個PIP電路的實驗演示。圖4和5分別顯示了在硅和氮化硅中制造的芯片示例。
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圖4

7 v& Y. g$ R6 _9 P) V8 C  C圖5編程PIP線路PIP的真正威力在于其可編程性。通過適當(dāng)設(shè)置波導(dǎo)網(wǎng)格中的可調(diào)元件，可以在相同硬件上實現(xiàn)各種光學(xué)功能。關(guān)鍵能力包括：1.FIR和IIR濾波器：通過在網(wǎng)格中編程適當(dāng)?shù)姆答伮窂娇梢詫崿F(xiàn)有限和無限脈沖響應(yīng)濾波器。2.光學(xué)環(huán)形諧振器：可以實現(xiàn)具有可調(diào)耦合和往返相位的單腔和多腔環(huán)形諧振器。3.延遲線：通過將光路由通過網(wǎng)格中的不同路徑長度可以創(chuàng)建可調(diào)光學(xué)延遲線。4.酉變換：可以實現(xiàn)輸入和輸出模式之間的任何線性光學(xué)變換，使量子光學(xué)應(yīng)用成為可能。
圖6和7顯示了在硅PIP芯片中實現(xiàn)環(huán)形諧振器和耦合諧振器濾波器的實驗結(jié)果。

7 `: ?$ m9 z9 o6 W4 Y% A0 ~圖6
( U5 Y& W$ c5 p) j9 M& }. h
圖7圖8演示了可調(diào)光學(xué)延遲線的實現(xiàn)。

& r) y! p) u% n; D1 K/ a4 U  q圖8為了實現(xiàn)任意酉變換，可以對波導(dǎo)網(wǎng)格進行編程以模擬三角形或矩形分束器排列。圖9和10顯示了在PIP芯片上實現(xiàn)的3x3和4x4酉變換的示例。
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! K5 m3 T6 N2 S圖9

( O' p: L- l7 n* i4 [9 O+ G) |圖10應(yīng)用PIP的多功能性使其能夠在不同領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用：1.電信：用于微波光子學(xué)和無線電光纖系統(tǒng)的可重構(gòu)光學(xué)濾波器、真時延和波束形成網(wǎng)絡(luò)。2.量子信息：用于量子門、玻色子采樣和量子模擬的可編程線性光學(xué)電路。3.機器學(xué)習(xí)：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層和儲備池計算的光學(xué)實現(xiàn)。4.傳感：多參數(shù)集成光子傳感器和光譜儀。5.信號處理：FFT、希爾伯特變換和其他信號處理操作的光學(xué)實現(xiàn)。
圖11顯示了包含PIP核心及輸入/輸出接口的通用光子處理器的概念架構(gòu)。

圖11圖12說明了這種處理器可能的不同操作模式，包括全光、電光和光電信號處理。

圖12圖13演示了如何對PIP線路進行編程以實現(xiàn)靈活的光學(xué)通道管理，包括添加-刪除復(fù)用和廣播操作。

) t$ U9 O; s2 i! V圖13挑戰(zhàn)和未來展望PIP顯示出巨大的潛力，但仍有需要解決的挑戰(zhàn)：1.損耗：通過多個TBU的累積損耗可能限制大型網(wǎng)格的可擴展性。2.控制復(fù)雜性：編程數(shù)百個可調(diào)元件需要復(fù)雜的控制電子設(shè)備和算法。3.制造變異：需要通過自適應(yīng)校準(zhǔn)方案來補償器件參數(shù)的變化。4.功耗：大量相移器的熱調(diào)諧可能導(dǎo)致高功耗。
. a8 h( L; z0 }0 r0 w- e未來的研究方向包括：1.開發(fā)更高效的調(diào)諧機制（例如MEMS或電光效應(yīng)）以減少功耗。2.合并增益元件以克服大規(guī)模網(wǎng)格中的損耗。3.探索新型網(wǎng)格拓?fù)浜涂刂扑惴ㄒ栽鰪娍删幊绦浴?.將PIP核心與電子設(shè)備集成，以實現(xiàn)完整的片上系統(tǒng)解決方案。
隨著該領(lǐng)域的成熟，可能會看到現(xiàn)場可編程光電子門陣列（FPPGA）的出現(xiàn) - 可以像電子FPGA一樣編程的通用光電子芯片。圖14顯示了這種FPPGA設(shè)備的概念示意圖。

# b" K" L+ j# E8 H圖14結(jié)論可編程集成光電子線路代表了光電子集成芯片設(shè)計的范式轉(zhuǎn)變。通過實現(xiàn)光學(xué)功能的后制造重構(gòu)，PIP有望降低光電子系統(tǒng)的開發(fā)成本和上市時間。隨著制造技術(shù)的改進和控制技術(shù)的進步，可以預(yù)期PIP將在通信、傳感和信息處理等廣泛應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。
參考文獻[1]J. Capmany and D. Pérez, "Programmable Integrated Photonics," Oxford University Press, 2020.
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