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引言% ]/ g! l( s0 X
可編程光電子集成芯片(PIC)成為在芯片上實現(xiàn)可重構光學系統(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),重點關注多端口干涉儀和波導網(wǎng)格架構。4 d$ F9 {+ j/ w* m2 |* P
實驗演示3 w1 ]- v4 v3 ?' j# F+ q7 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]
1 D) i2 W/ ?: [- i" @- t' l4 Z波導網(wǎng)格:基于氮化硅光電子的7個TBU的2單元方形拓撲[圖2a]基于硅基光電子的30個TBU的7單元六角形拓撲[圖2b]基于氮化硅光電子的40個TBU的10單元六角形拓撲[圖2c]
/ u* ]1 Y' g9 B這些演示通過編程網(wǎng)格實現(xiàn)了各種光學功能,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。
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% T; G! u% i! l _* s圖1
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( @! d- t* O7 Y* K4 {3 |3 y( |- p圖2
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圖3/ u' p( L& ^1 `, ?+ O7 w2 A/ H
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。當前設計限制在約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、串擾和調諧精度影響整體系統(tǒng)性能。[/ol]
+ o. a" `" I9 L誤差源及影響幾個誤差源影響可編程PIC的性能:波導變化:制造缺陷導致波導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擾影響相位。驅動信號漂移:電驅動器的精度有限和噪聲導致相位誤差。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], |% U7 b1 E( n5 y& k! W
圖4顯示了耦合器和相位誤差對TBU性能的影響:4 U. p' u2 D6 H/ @
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圖4這些誤差導致消光比下降、串擾增加以及偏離理想線路行為。需要仔細表征和校準以減輕其影響。
' F# H6 a9 [1 X2 Z9 v: r監(jiān)控和控制架構閉環(huán)控制系統(tǒng)對配置和優(yōu)化可編程PIC很有必要:
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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]
6 u/ U% p7 q C% R% m該系統(tǒng)能夠根據(jù)變化的條件或要求動態(tài)重構和優(yōu)化PIC。
9 l1 T* T" R7 e5 t& ]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的響應線路合成:確定所需功能的TBU設置的算法優(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]! _9 z% z& p6 T* m- }8 I8 [& ]; R
圖6顯示了編程波導網(wǎng)格的典型工作流程:! s* ]! q4 `: R" u0 R. G
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圖69 y3 Y; z2 H& f* F$ n) `' h
可以使用梯度下降等高級優(yōu)化技術來配置復雜功能。圖7演示了1x8分束器的優(yōu)化:
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圖7
) i# h+ e7 U" q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)多個光學功能:. t( H% `& q1 q. K
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圖87 a9 Z8 P* e% {) P6 t1 Y. o
這個例子顯示:配置12-TBU環(huán)形諧振器(配置1)重構為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]
9 C, z6 c: h. S/ r3 x4 z通過調整每個TBU的驅動電流實現(xiàn)動態(tài)重構。得到的光譜響應展示了可編程架構的多功能性。( [/ e/ [& b- R2 n, C
未來展望可編程PIC正在快速發(fā)展,未來發(fā)展的幾個關鍵領域包括: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、串擾和功耗新型調諧機制:探索熱光調諧的替代方案,實現(xiàn)更快、更高效的操作高級控制:實施機器學習和自適應算法以實現(xiàn)穩(wěn)健操作混合架構:將可編程網(wǎng)格與專用高性能構建模塊相結合[/ol]( C4 b8 @0 a4 Q4 [$ ~
結論可編程PIC為在芯片上實現(xiàn)可重構光學系統(tǒng)提供了靈活性。當前的演示已顯示出巨大潛力,但在擴展到更大、更復雜的系統(tǒng)方面仍存在重大挑戰(zhàn)?朔䲟p耗、功耗和控制復雜性的限制對實現(xiàn)該技術的全部潛力很重要。創(chuàng)新光電子設計、先進控制系統(tǒng)和復雜軟件框架的結合將推動可編程PIC的持續(xù)發(fā)展,為通信、傳感和信息處理等領域帶來新的應用。
. S7 o4 v, t, r0 S* S參考文獻[1]J. Capmany and D. Pérez, "Programmable Integrated Photonics," Oxford University Press, 2020.
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7 i. o E1 W) } }0 ?1 s# ~深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導體芯片設計自動化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設計和仿真軟件,提供成熟的設計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設計與仿真。我們提供特色工藝的半導體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務,廣泛服務于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動特色工藝半導體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術與服務。
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