可編程光電子集成線路中的路由的Mesh架構及其性能

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引言
可編程光電子集成線路(PPICs)正在成為一項具有巨大創(chuàng)新潛力的新興技術，在量子光學、通信和機器學習等多個領域有廣泛應用。這些線路可以被編程執(zhí)行各種功能，無需定制設計，有望徹底改變我們在芯片上操縱光的方式。本文將探討PPICs的不同架構，重點關注其路由能力以及各種因素對性能的影響。
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3 D% h* E$ v! t2 m' k3 rMesh架構
5 ?  D6 ?0 l2 ^7 NPPIC的核心是由波導和可調諧耦合器組成的mesh結構。這些耦合器可以被編程為不同的狀態(tài)（直通、交叉或耦合），從而靈活控制線路中的光流。這些組件的排列形成了mesh架構，對線路的路由能力有顯著影響。

9 d% A' G' z; r+ @" L7 v( }. f讓我們來檢視四種主要的mesh架構：

三角形tile

方形tile

六邊形tile

環(huán)連接直線(RCSL)
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6 b: h6 ^0 j/ K圖1展示了這四種架構。
每種架構都有其獨特的特征，影響路由性能：

1. 三角形tile（圖1a）：這種架構使用最小的規(guī)則形狀進行鋪設。然而，它傾向于為光信號創(chuàng)建低效的之字形路徑。
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2. 方形tile（圖1b）：一種常見且簡單的設計，但在某些路由情況下可能導致不必要的長路徑。

3. 六邊形tile（圖1c）：這種架構在路由方面提供了更多的靈活性，通常被認為是最有潛力的設計。
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4. 環(huán)連接直線（圖1d）：這項研究中引入的一種新型設計，旨在提供高效的直線路由選項。


光電子Mesh中的路由
PPICs中的路由涉及通過mesh將光從源端口引導到目標端口。每個可能的連接都可以表示為一個圖，外部端口作為將光耦合進出mesh的接口。


圖2顯示了六邊形波導mesh中可能連接的圖形表示。彩色節(jié)點代表外部端口，而內部連接說明了光在mesh中可能采取的路徑。
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  F3 X9 {& ?, n$ o  o/ x比較Mesh架構
為了評估不同mesh架構的性能，我們需要考慮幾個因素：
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1. 最大可路由commodities數(shù)：這個指標表示mesh可以支持多少個同時連接。

圖3顯示了不同mesh架構的平均最大可路由commodities數(shù)。六邊形tile和RCSL設計始終優(yōu)于三角形和方形tile。
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# Z! k0 f0 b$ X1 ]2 E0 l2. 平均路徑長度：這個指標通過考慮信號必須通過的耦合器數(shù)量來衡量路由效率。

圖4顯示了不同架構的平均路徑長度。RCSL設計平均提供更短的路徑，而三角形tile導致顯著更長的路徑。

' p+ V0 D/ h. @0 p& y/ L3. 路由效率：這可以表示為實際路徑長度與端口之間理想直線距離的比率。

9 F4 e% F5 C' M: Q- W! B. b圖5說明了不同架構的這種效率比率。較低的值表示更高的路由效率。RCSL和六邊形tile的表現(xiàn)通常優(yōu)于方形或三角形tile。
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特定路由場景中的性能
! Y$ O+ Q7 g, E' b+ t1 K8 n雖然隨機路由模式提供了一般性能概覽，但特定路由場景可以突出不同架構的優(yōu)缺點。
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. ~% r+ r- A3 ~/ X2 q4 v% v圖6

圖6顯示了三種預定義的路由模式：
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類型I：平行的南北和東西連接

類型II：交叉對角線連接

類型III：只有南北連接



圖7展示了不同架構在這些特定場景中的表現(xiàn)。值得注意的是，RCSL在類型I模式中表現(xiàn)出色，而方形tile在類型III模式中表現(xiàn)出人意料的好。

" Y5 h& |. o/ v. u8 H損壞對Mesh性能的影響
% h$ P; p+ `4 S% t1 W) z在實際應用中，PPICs可能會受到制造缺陷或運行過程中的損壞。了解這些問題如何影響路由能力對設計穩(wěn)健系統(tǒng)非常重要。
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% Q3 x% ]1 H1 b: U4 |) o考慮了三種主要的耦合器故障類型：

完全故障（100%衰減）

卡在交叉模式

卡在直通模式
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圖8說明了這些不同的故障模式與正常功能的耦合器的比較。

這些故障對路由性能的影響差異很大：
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圖9顯示了不同類型和程度的損壞如何影響路由能力。
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一些關鍵觀察：
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卡在交叉模式的耦合器（圖14a）在約50%的耦合器受影響之前影響相對較小。

卡在直通模式的耦合器（圖14b）導致性能更快下降。

完全耦合器故障（圖14c）影響最嚴重，僅15%的故障耦合器就導致50%的路由能力損失。

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" I# J! N4 e  c: w$ t可靠性設計
了解損壞的影響使設計者能夠在其PPIC設計中加入適當?shù)娜哂�。例如，如果已知制造過程的良率為90%（10%的耦合器不完美），其中一半的不完美導致完全故障，另一半卡在交叉模式，則應將mesh大小增加約25%以保持所需的性能水平。

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結論
本文提供了可編程光電子集成線路中路由的概述，重點關注mesh架構對性能的影響。主要要點包括：

六邊形tile mesh提供了最佳的整體路由能力，尤其是對于復雜的路由場景。

新型的環(huán)連接直線（RCSL）架構在需要較短路徑長度的場景中顯示出潛力，特別是當mesh預期不會被密集使用時。

不同類型的耦合器故障對mesh性能的影響各不相同，完全故障的影響最為嚴重。

設計者可以利用這些信息選擇適當?shù)募軜嫞�并根�?jù)預期的制造良率和故障模式加入必要的冗余。

" T- ?. u. q7 P/ _( d隨著PPICs的不斷發(fā)展，理解路由和mesh設計的這些基本方面對于為廣泛的應用開發(fā)高效可靠的光電子系統(tǒng)將非常重要。
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7 G  H: e  N- m( h: L5 q4 ?: t參考文獻
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