可編程光電子集成芯片的具體實現(xiàn)

逍遙設計自動化

引言
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。
實驗演示
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。
3 t! c: H' M3 A: z) ^. J/ d) k7 h! [7 G
% T; G! u% i! l  _* s圖1
( M0 n; {7 w3 E" S- N) ^
( @! d- t* O7 Y* K4 {3 |3 y( |- p圖2
9 e( `* ?+ W% O; A
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]
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：
- T2 l/ E  B# W7 C) G) K
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]
圖6顯示了編程波導網(wǎng)格的典型工作流程：

圖6
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：

圖8
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。
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]
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�損耗、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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