可編程光電子集成芯片的集成波導(dǎo)網(wǎng)格

逍遙設(shè)計自動化

引言
集成波導(dǎo)網(wǎng)格代表了可編程光電子集成芯片（PIC）的令人興奮的新范式。多功能結(jié)構(gòu)通過適當(dāng)設(shè)置控制信號，可以在單個芯片上動態(tài)配置各種光電子功能。本文將介紹集成波導(dǎo)網(wǎng)格背后的關(guān)鍵概念，探討不同的網(wǎng)格拓?fù)浼捌湫阅芴卣饕约叭绾问褂眠@個平臺編程復(fù)雜的光電子線路。
, S( C& E  j( {波導(dǎo)網(wǎng)格基礎(chǔ)
波導(dǎo)網(wǎng)格的核心構(gòu)建模塊是可調(diào)基本單元（TBU）。這通常由一個平衡的馬赫-曾德干涉儀組成，兩個臂上都有相移器，允許獨(dú)立控制分光比和相位。通過將每個TBU配置為可調(diào)耦合器、交叉開關(guān)或相移器，可以合成復(fù)雜的光電子線路。
' _# c& c5 D; F+ j1 m( g: iTBU以規(guī)則的模式互連形成網(wǎng)格。常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括方形、三角形和六邊形排列，如圖1所示。網(wǎng)格拓?fù)涞倪x擇影響空間分辨率、重構(gòu)靈活性和集成密度等特性。
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圖1：方形、三角形和六邊形網(wǎng)格拓?fù)鋵崿F(xiàn)基本光電子線路元件的示例。
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' ]( [4 a3 E: f$ a* M網(wǎng)格拓?fù)浔容^
對不同網(wǎng)格拓?fù)湫阅艿脑敿?xì)分析揭示了幾個關(guān)鍵的權(quán)衡：

空間調(diào)諧分辨率：這決定了實現(xiàn)延遲線或干涉結(jié)構(gòu)的最小步長。六邊形網(wǎng)格提供了2個基本單位長度（BUL）的最佳分辨率。

重構(gòu)性能：這衡量可以實現(xiàn)多少種獨(dú)特的濾波器配置。六邊形網(wǎng)格表現(xiàn)最佳，特別是對于馬赫-曾德干涉儀（MZI）結(jié)構(gòu)。

集成密度：與方形網(wǎng)格相比，六邊形網(wǎng)格每單位面積所需的開關(guān)元件減少了36.66%。

復(fù)制靈活性：這表示給定結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)的方式數(shù)量。方形網(wǎng)格對環(huán)形諧振器最靈活，而六邊形網(wǎng)格對MZI最佳。

損耗和偏振效應(yīng)：由于波導(dǎo)彎曲更有利，六邊形網(wǎng)格通常具有較低的損耗和偏振旋轉(zhuǎn)。[/ol]
總體而言，六邊形網(wǎng)格拓?fù)湓谶@些指標(biāo)上提供了最佳的全面性能。表1總結(jié)了關(guān)鍵的比較結(jié)果。

  M! h+ E+ g* p2 m表1：不同網(wǎng)格拓?fù)涞男阅苤笜?biāo)總結(jié)。
7 ^" H2 s$ L; E$ y% {- w網(wǎng)格拓?fù)浔容^
) l/ W, ~. n$ T/ K5 u) a1 j波導(dǎo)網(wǎng)格的真正優(yōu)勢在于它們能夠動態(tài)重構(gòu)以實現(xiàn)廣泛的光電子線路功能。關(guān)鍵示例包括：有限脈沖響應(yīng)（FIR）濾波器通過配置具有所需差分長度的路徑，可以輕松實現(xiàn)不平衡馬赫-曾德干涉儀等FIR濾波器。圖2展示了如何在六邊形網(wǎng)格上編程多級FIR格型濾波器。
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圖2：在六邊形網(wǎng)格上實現(xiàn)6階和5階FIR格型濾波器。
0 z% d) b8 ^* [4 l: d無限脈沖響應(yīng)（IIR）濾波器通過在網(wǎng)格內(nèi)形成封閉的光學(xué)環(huán)路，可以創(chuàng)建環(huán)形諧振器和其他IIR濾波器結(jié)構(gòu)。腔長決定了自由光譜范圍。圖3演示了單級和多級IIR濾波器的實現(xiàn)。

圖3：各種IIR濾波器結(jié)構(gòu)的編程：（a） 10級CROW，（b） 9級SCISSOR，（c） 5級雙通道SCISSOR，（d） 扭曲雙通道SCISSOR。
" h5 ]6 T4 Z) G! q' I- q" i& G可編程延遲線真時延線是相控陣天線等應(yīng)用的關(guān)鍵組件。波導(dǎo)網(wǎng)格允許靈活編程具有任意延遲增量的延遲線陣列。圖4顯示了在六邊形網(wǎng)格上實現(xiàn)的1x8波束形成網(wǎng)絡(luò)示例。

, V2 l3 ~; `  f圖4：在六邊形網(wǎng)格上編程的1x8延遲線陣列，具有各種延遲增量。
通用線性變換波導(dǎo)網(wǎng)格最強(qiáng)大的能力可能是能夠在輸入和輸出模式之間實現(xiàn)任意線性光學(xué)變換。這是通過在網(wǎng)格內(nèi)編程三角形（Reck）或矩形（Clements）干涉儀排列來實現(xiàn)的。圖5展示了如何使用六邊形網(wǎng)格上的三角形方案實現(xiàn)4x4幺正變換。使用既定算法計算每個分束器元件的耦合比和相移。

圖5：使用三角形干涉儀方案編程4x4 Hadamard變換。
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: ?) X* Y7 J' \- U& ]對于更大的變換，矩形排列提供了更緊湊的實現(xiàn)。圖6演示了使用這種方法在六邊形網(wǎng)格上配置的5x5奇異值分解。
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圖6：使用矩形干涉儀布局實現(xiàn)5x5 SVD變換。
( h( W  u2 s. ?實際考慮因素波導(dǎo)網(wǎng)格的靈活性非常顯著，但在實際實現(xiàn)中需要考慮一些實際限制：1.損耗：每個TBU都會引入損耗，限制了可實現(xiàn)的最大路徑長度和線路復(fù)雜度。典型的每TBU插入損耗為0.2-0.3 dB，將有用的網(wǎng)格尺寸限制在每路徑約30-50個TBU。
2.串?dāng)_：元件之間的光學(xué)和熱串?dāng)_可能會降低性能，特別是對于密集網(wǎng)格。仔細(xì)設(shè)計波導(dǎo)布線和熱隔離很重要。
. y6 W. p+ P  _# s6 k- o3.控制復(fù)雜性：大型網(wǎng)格需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)來設(shè)置數(shù)百個相移器。需要高效的校準(zhǔn)和穩(wěn)定算法。
( b: u) ~* s* g. k" I$ s, X1 ?4.占用面積：雖然比固定PIC更通用，但網(wǎng)格的占用面積更大。并行網(wǎng)格布局可以幫助緩解這一問題。
5.功耗：主動相位調(diào)諧消耗大量功率，特別是對于熱相移器。新型低功耗調(diào)諧機(jī)制是一個活躍的研究領(lǐng)域。

結(jié)論集成波導(dǎo)網(wǎng)格代表了實現(xiàn)靈活和可重構(gòu)光電子線路的強(qiáng)大新范式。六邊形網(wǎng)格拓?fù)涮峁┝顺錾�的性能特征組合，使得可以在一個通用硬件平臺上編程實現(xiàn)非常廣泛的光學(xué)功能。
8 k( J5 k3 s" p+ e& K! j6 E: m隨著制造技術(shù)的改進(jìn)和巧妙控制算法的開發(fā)，可以期待看到波導(dǎo)網(wǎng)格在量子光電子、微波光電子和光信號處理等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)令人興奮的新應(yīng)用。無需制造新芯片就能快速重構(gòu)復(fù)雜光學(xué)線路的能力將加速光電子技術(shù)創(chuàng)新和原型設(shè)計。
擴(kuò)展到非常大的網(wǎng)格仍然存在挑戰(zhàn)，但與傳統(tǒng)的特定應(yīng)用PIC相比，這種方法提供了靈活性。隨著技術(shù)的成熟，基于波導(dǎo)網(wǎng)格核心的可編程光電子處理器可能會像現(xiàn)場可編程門陣列對電子系統(tǒng)那樣普及和變革性。
參考文獻(xiàn)[1]J. Capmany and D. Pérez, "Programmable Integrated Photonics," Oxford University Press, 2020.
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