可編程光電子集成芯片的具體實現(xiàn)

逍遙設(shè)計自動化

引言
$ \0 z% c) V' {$ {# j可編程光電子集成芯片（PIC）成為在芯片上實現(xiàn)可重構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)的強大平臺，本文概述了可編程PIC實際實現(xiàn)的主要考慮因素和挑戰(zhàn)，重點關(guān)注多端口干涉儀和波導(dǎo)網(wǎng)格架構(gòu)。
3 k4 t7 p* i6 x* P# B實驗演示
) x0 z9 {: I& h/ Z早期的實驗演示展示了可編程PIC的潛力：多端口干涉儀：

硅基15個可調(diào)基本單元（TBU）的6x6三角形排列[圖1a]

硅基9個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TBU的2單元方形拓?fù)鋄圖2a]

基于硅基光電子的30個TBU的7單元六角形拓?fù)鋄圖2b]

基于氮化硅光電子的40個TBU的10單元六角形拓?fù)鋄圖2c]
# ]# o8 t8 ^9 D2 `8 P. d; c這些演示通過編程網(wǎng)格實現(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)格中實現(xiàn)環(huán)形諧振器濾波器。
# z( R9 n1 C* ~+ V
: x6 k9 r1 t3 y7 H. Y9 E圖1
6 N" E0 M  q" c" u$ q
: }9 i5 }  L2 r& _$ O- h圖2

圖3
擴展考慮因素隨著可編程PIC擴展到更大規(guī)模，幾個因素限制了其性能：

累積損耗：總損耗隨著穿過的TBU數(shù)量增加而增加。例如，每個TBU損耗0.2 dB時，10 dB總損耗預(yù)算限制最大路徑長度約為50個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TBU需要10-30 mW。

電氣布線：對于大規(guī)模集成，連接每個TBU的電信號變得具有挑戰(zhàn)性。需要多層布線。

TBU性能：單個TBU的插入損耗、串?dāng)_和調(diào)諧精度影響整體系統(tǒng)性能。[/ol]
3 |: f' J8 d6 Z* j誤差源及影響幾個誤差源影響可編程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)境溫度變化和致動器之間的熱串?dāng)_影響相位。

驅(qū)動信號漂移：電驅(qū)動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]
5 s" }- m3 y9 v- |( h圖4顯示了耦合器和相位誤差對TBU性能的影響：

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。
監(jiān)控和控制架構(gòu)閉環(huán)控制系統(tǒng)對配置和優(yōu)化可編程PIC很有必要：

圖5主要組件包括：

處理單元（PU）：運行算法確定最佳線路配置

多通道電子驅(qū)動陣列（MEDA）：為致動器提供電信號

多通道電子監(jiān)控陣列（MEMA）：讀取各點的光功率[/ol]
該系統(tǒng)能夠根據(jù)變化的條件或要求動態(tài)重構(gòu)和優(yōu)化PIC。
" T( G. d' h/ S# u$ |  t: W' D軟件框架軟件層對充分發(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：改進性能和補償誤差的迭代方法

自動布線：為給定規(guī)格找到通過網(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：
# y" B* Q0 x- W
圖6
可以使用梯度下降等高級優(yōu)化技術(shù)來配置復(fù)雜功能。圖7演示了1x8分束器的優(yōu)化：
4 _$ T' Z; j2 |$ X
圖7
8 B2 W, j0 H. U1 T' L  Q0 U實際例子為說明編程過程，考慮在7單元六角形網(wǎng)格上實現(xiàn)多個光學(xué)功能：

圖8
% z+ m) z' E# j/ D這個例子顯示：

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同時操作（配置3）[/ol]
& F  V* k# D  |, g: `4 L1 `通過調(diào)整每個TBU的驅(qū)動電流實現(xiàn)動態(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。
- O5 x+ b- c) z1 ]4 S( d未來展望可編程PIC正在快速發(fā)展，未來發(fā)展的幾個關(guān)鍵領(lǐng)域包括：

擴展：集成更多TBU（>1000），同時管理損耗和功耗

改進TBU：降低單個單元的插入損耗、串?dāng)_和功耗

新型調(diào)諧機制：探索熱光調(diào)諧的替代方案，實現(xiàn)更快、更高效的操作

高級控制：實施機器學(xué)習(xí)和自適應(yīng)算法以實現(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，但在擴展到更大、更復(fù)雜的系統(tǒng)方面仍存在重大挑戰(zhàn)�？朔�損耗、功耗和控制復(fù)雜性的限制對實現(xiàn)該技術(shù)的全部潛力很重要。創(chuàng)新光電子設(shè)計、先進控制系統(tǒng)和復(fù)雜軟件框架的結(jié)合將推動可編程PIC的持續(xù)發(fā)展，為通信、傳感和信息處理等領(lǐng)域帶來新的應(yīng)用。
參考文獻[1]J. Capmany and D. Pérez, "Programmable Integrated Photonics," Oxford University Press, 2020.

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