可編程光電子集成芯片的集成波導網(wǎng)格

逍遙設(shè)計自動化

引言
集成波導網(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網(wǎng)格背后的關(guān)鍵概念，探討不同的網(wǎng)格拓撲及其性能特征以及如何使用這個平臺編程復雜的光電子線路。
2 _; r+ c  O( b6 c, w7 }波導網(wǎng)格基礎(chǔ)
' J/ }+ D! S& e1 u波導網(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，可以合成復雜的光電子線路。
TBU以規(guī)則的模式互連形成網(wǎng)格。常見的拓撲結(jié)構(gòu)包括方形、三角形和六邊形排列，如圖1所示。網(wǎng)格拓撲的選擇影響空間分辨率、重構(gòu)靈活性和集成密度等特性。

圖1：方形、三角形和六邊形網(wǎng)格拓撲實現(xiàn)基本光電子線路元件的示例。
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網(wǎng)格拓撲比較
! C5 j& o* O6 U- }對不同網(wǎng)格拓撲性能的詳細分析揭示了幾個關(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：由于波導彎曲更有利，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)格拓撲在這些指標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。
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表1：不同網(wǎng)格拓撲的性能指標總結(jié)。
& T* Q; p# Z; C9 j$ n網(wǎng)格拓撲比較
5 s% i; x" H' F/ b- J波導網(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（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。
: Y) ^2 d) r! `. r* u9 G1 U無限脈沖響應（IIR）濾波器通過在網(wǎng)格內(nèi)形成封閉的光學環(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)。
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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。
6 d, m3 I- h- _# X( @$ I+ d可編程延遲線真時延線是相控陣天線等應用的關(guān)鍵組件。波導網(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)絡示例。

- G' l3 k  }5 p1 }, z8 C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。
1 }' H% U1 Q! s! u通用線性變換波導網(wǎng)格最強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。
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圖5：使用三角形干涉儀方案編程4x4 Hadamard變換。

( s3 h7 [" D: D% n, F6 G% N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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$ q& ^4 R4 C- c) {: x$ k5 a% V圖6：使用矩形干涉儀布局實現(xiàn)5x5 SVD變換。
* g: \, @! h7 R實際考慮因素波導網(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.串擾：元件之間的光學和熱串擾可能會降低性能，特別是對于密集網(wǎng)格。仔細設(shè)計波導布線和熱隔離很重要。
3.控制復雜性：大型網(wǎng)格需要復雜的控制系統(tǒng)來設(shè)置數(shù)百個相移器。需要高效的校準和穩(wěn)定算法。
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)諧機制是一個活躍的研究領(lǐng)域。

結(jié)論集成波導網(wǎng)格代表了實現(xiàn)靈活和可重構(gòu)光電子線路的強大新范式。六邊形網(wǎng)格拓撲提供了出色的性能特征組合，使得可以在一個通用硬件平臺上編程實現(xiàn)非常廣泛的光學功能。
! p; A  s9 \6 \6 g7 n隨著制造技術(shù)的改進和巧妙控制算法的開發(fā)，可以期待看到波導網(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)令人興奮的新應用。無需制造新芯片就能快速重構(gòu)復雜光學線路的能力將加速光電子技術(shù)創(chuàng)新和原型設(shè)計。
' Q/ A( Y/ ~1 o' V1 }& P. P6 R擴展到非常大的網(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。
2 P4 u& ]" ?" z% {0 z8 u/ M- C參考文獻[1]J. Capmany and D. Pérez, "Programmable Integrated Photonics," Oxford University Press, 2020.
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