可重構的特定應用光電子集成芯片

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引言
光電子集成芯片（PIC）已成為在小型芯片上實現(xiàn)各種光信號處理功能的有前途的技術。早期的許多PIC都有為特定應用量身定制的固定設計，但開發(fā)可動態(tài)調諧或重新編程以支持多種功能的可重構PIC正引起越來越多的關注。本文概述了可重構的特定應用PIC的主要發(fā)展，重點介紹架構、功能和潛在應用。
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可重構光學濾波器
+ u# a2 ~6 T+ `* o# W可調諧光學濾波器是可重構PIC最常見和通用的構建模塊之一。允許對光信號的頻譜整形和濾波進行動態(tài)控制。一種廣泛使用的架構基于級聯(lián)環(huán)形諧振器，可以通過熱或電調諧來調整它們的諧振頻率和耦合強度。
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, I; J, u! r' W# O) S% k圖1顯示了在InP技術中實現(xiàn)的可重構光學濾波器的例子。由多個級聯(lián)環(huán)形諧振器組成，具有可調諧耦合器和相移器。通過調整調諧元件，可以動態(tài)重構濾波器響應以實現(xiàn)不同的濾波器形狀和帶寬。
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圖1
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/ S; q2 g0 B) v# E5 z8 f7 B另一種濾波器架構是環(huán)輔助馬赫-曾德干涉儀（RAMZI），如圖2所示。將非對稱馬赫-曾德干涉儀與耦合到每個臂的環(huán)形諧振器相結合。RAMZI設計通過適當?shù)恼{諧允許實現(xiàn)有限脈沖響應（FIR）和無限脈沖響應（IIR）濾波器特性。

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圖2
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/ c$ L* P9 \3 u5 B射頻相移器和延遲線
8 Y3 ^, _  `8 R! u; @) E/ a用于射頻信號的可重構光學延遲線和相移器是波束成形和信號生成等應用的關鍵組件。光學環(huán)形諧振器可用于實現(xiàn)可調諧真時延，如圖3所示的級聯(lián)環(huán)形諧振器結構。通過熱調諧環(huán)，可以在寬帶寬上實現(xiàn)可變延遲。
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對于相移，可以使用如圖4所示的結構。這里，兩個級聯(lián)環(huán)形諧振器在與單邊帶調制一起使用時實現(xiàn)可調諧射頻相移。通過調整環(huán)諧振，可以實現(xiàn)完整的360°相位調諧。


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圖4
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$ N6 X9 p! q4 E1 D波束形成器
/ r* }2 t) ~7 @) Q- I實現(xiàn)可調諧延遲和相移的能力使得實現(xiàn)相控陣天線的光學波束形成網(wǎng)絡成為可能。圖5顯示了在TriPleX波導技術中實現(xiàn)的1x16光學波束形成器的例子。使用級聯(lián)環(huán)形諧振器在10.7-12.75 GHz頻帶上提供可調諧真時延，實現(xiàn)寬帶、無斜視操作。



3 j/ a* @! H; w. x7 J+ `4 J圖5

8 U2 `1 D( n2 v4 X$ Q9 P0 k# K, r6 l任意波形發(fā)生器
% D* o+ v) v) `" M( h  E' t0 o可重構PIC還能夠生成具有非常高帶寬的任意射頻波形。圖6展示了一個基于頻譜整形和波長到時間映射的硅基光電子任意波形發(fā)生器。它使用級聯(lián)微環(huán)諧振器從輸入脈沖中選擇性地過濾頻譜分量，然后使用以SCISSOR結構實現(xiàn)的可調諧延遲線。這允許生成高達50 GHz的自定義射頻波形。

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圖6
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光電振蕩器
2 @) x; T" b8 i! ~) W9 b6 ~1 k集成光電子技術使光電振蕩器（OEO）的微型化成為可能，用于生成超純微波信號。圖7顯示了一個硅基光電子OEO的例子，它在單個芯片上集成了高速相位調制器、熱可調諧微盤諧振器和光電探測器。這允許生成可調諧的3-8 GHz信號，具有低相位噪聲。

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圖7

多功能可重構PIC
5 z2 ^! H+ a9 X: ~9 E. M( L( ?雖然許多可重構PIC是為特定應用設計的，但一些架構可以通過適當?shù)膮��?shù)調整支持多種功能。圖8顯示了最初設計為可調諧濾波器的基于InP的線路，通過重新配置其內部可調諧耦合器、半導體光放大器和相移器，還可以實現(xiàn)微分、積分和希爾伯特變換等數(shù)學運算。


6 X  n& ^' P8 s. k7 M* w% h圖8
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) y3 j1 @: A: E另一個例子是圖9中的Si3N4線路，通過利用其環(huán)形諧振器的不同子集，可以同時作為頻率鑒別器和超寬帶脈沖發(fā)生器。

3 s$ B1 ~2 R1 o. H5 }6 q$ o, @6 f7 w
  _0 h( q9 h. P7 |+ ?3 Z7 K/ y圖9

3 @1 q0 I! S& f- h; p& m; f* Z7 u走向通用可編程PIC
多功能可重構PIC的概念可以進一步擴展到更通用的可編程架構。圖10展示了通用微波光子處理器架構。包含一個可重構的光學核心，具有各種光電子構建模塊，如MZI、環(huán)和光柵，通過光學路由和開關元件互連。這允許動態(tài)重構以實現(xiàn)廣泛的信號處理功能。
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2 t2 y* s9 t* [; X圖10
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' q0 Q0 |. o$ Z4 u! Y, t  ?結論
可重構應用專用PIC代表了向更靈活和多功能集成光電子系統(tǒng)發(fā)展的重要進化步驟。通過增加可調諧元件如相移器、可變耦合器和可切換路由，這些芯片可以動態(tài)調整其功能以支持多種應用。迄今為止展示的關鍵能力包括可重構濾波、真時延、相移、任意波形生成和頻率合成。

目前的可重構PIC仍然主要針對特定應用領域，但趨勢正朝著更通用的可編程架構發(fā)展，這些架構可以通過軟件控制重新配置以實現(xiàn)各種功能。實現(xiàn)可編程光電子技術的全部潛力還需要PIC技術、調諧機制和控制系統(tǒng)的進一步進步，可重構PIC已經為射頻和微波光子應用提供了更緊湊、高效和適應性強的解決方案。
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5 ^9 t0 f- H9 f% B" q參考文獻
[1] J. Capmany and D. Pérez, "Programmable Integrated Photonics," Oxford University Press, 2020.
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