光子矩陣乘法器實現(xiàn)方向探測傳感

逍遙設計自動化

引言
( o) _# n  P$ D7 o) `6 D+ `方向探測技術在雷達系統(tǒng)和無線通信等多個領域具有重要應用價值。本文介紹新型的光電子集成線路解決方案，用于光學頻段的到達方向估計，通過超小型設計實現(xiàn)實時傳感能力[1]。
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核心架構與工作原理
所提出的器件使用光子矩陣-向量乘法器作為核心處理器，用于確定入射光信號的方向。系統(tǒng)采用光柵耦合器陣列對入射光波的波前進行采樣，將相位信息轉換為輸出端口的可檢測強度模式。
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0 a' R  s9 Q" w. I1 q. i圖1：所提出器件概念的示意圖，展示了作為方向到達傳感核心處理器的光子模擬矩陣-向量乘法器。

% V2 h1 D0 [: B+ ^7 `. ^* i0 Z  P該架構由M個光柵耦合器組成，這些耦合器以間距d排列成線性陣列。當平面波以角度θ到達陣列時，光柵耦合器采集波前的離散樣本。這些樣本隨后由光子矩陣乘法器處理，將相位斜率信息轉換為N個輸出端口的局部強度模式。
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* W. ^* ~: C$ Z. T, H9 o, ]數(shù)學框架
系統(tǒng)通過線性算子F ∈ CN×M處理入射信號，將包含采樣電場的輸入向量x(θ)映射到輸出向量y。對于一組離散入射角度{θn}N n=1，器件在相應的輸出端口產(chǎn)生單個脈沖。

! ^9 t1 L  U/ @* l8 l% X圖2：輸出強度分布顯示了N=7時不同配置下（M=7、10紅色和M=4藍色）的系統(tǒng)響應，展示了輸入/輸出端口數(shù)量如何影響性能。

( b9 U2 y- }! Q跟蹤機制
該器件實現(xiàn)了兩種跟蹤入射波角度的方法：
. w  r- ^6 j2 C, M  U8 V5 ~1. 連續(xù)跟蹤：利用輸出強度的位置加權平均
2. 離散跟蹤：識別最大強度的輸出端口

+ S/ O4 r* ?9 b: C- m& \2 l* g圖3：輸出強度分布|F(δ)x(θ)|展示了不同配置（N=7，M=4、7和10）下系統(tǒng)對各種入射角度的響應。
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7 v7 l3 b8 Y3 N9 \實現(xiàn)考慮因素
光子線路實現(xiàn)采用奇異值分解(SVD)來實現(xiàn)所需的矩陣運算。該架構可以使用以下組件構建：
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馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)

相變材料(PCM)

耦合波導陣列
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/ `5 f) }* z8 f/ M! U
* C% c- s: c9 X; s5 Y# W2 @9 h圖4：架構示意圖顯示了MN和M=N情況下的不同配置，其中黃色塊代表相位調(diào)制器，紅色塊表示幅度調(diào)制器。
( e( @+ X0 Z' n- O) N8 o
性能分析
7 J2 b! S, g, d9 B系統(tǒng)性能取決于以下關鍵參數(shù)：

輸入端口數(shù)量(M)

輸出端口數(shù)量(N)

光柵耦合器間距(d)

孔徑角度(δ)
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  V1 X/ r& |2 o: _% a6 [. Q圖5：距離函數(shù)和跟蹤性能分析，顯示(a)孔徑角度依賴性，以及(b-c)不同端口配置下的離散跟蹤函數(shù)行為。

即使在存在噪聲的情況下，該器件也表現(xiàn)出穩(wěn)健的性能，保持了可靠的角度檢測能力。該架構在以下方面具有特殊優(yōu)勢：

緊湊的尺寸

最小的數(shù)字信號處理要求

實時操作

可擴展設計

結論
: {# I; l1 d# E9 `! m2 }光子方向探測傳感器代表了集成光學傳感技術的重要進展。利用最小處理開銷執(zhí)行實時到達方向估計的能力使其特別適用于激光雷達系統(tǒng)、自由空間光通信和遠程傳感等應用。可擴展的架構和靈活的實現(xiàn)選項為光子傳感技術的未來發(fā)展提供了良好的平臺。

1 d. n& S% m' ]& P8 K這里提出的設計原理和數(shù)學框架可以擴展到其他應用，包括光束轉向和用于各種傳感應用的可編程光子線路。對架構的進一步優(yōu)化可以在角度分辨率、視場和抗噪聲能力方面實現(xiàn)增強性能。
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: V8 C5 O% F- e/ e  f& B參考文獻
[1] K. Zelaya and M.-A. Miri, "Photonic Matrix Multiplier Makes a Direction-Finding Sensor," arXiv:2411.06731v1 [physics.optics], Nov. 2024.
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