可编程集成光电子技术在经典场景中的应用

逍遥设计自动化

引言可编程集成光电子技术（PIP）能够在芯片上重新配置光学线路，使单个光电子集成芯片（PIC）能够执行多种功能。本文概述PIP如何应用于光电子技术和微波光子学中的几个经典应用。
光学交换和路由PIP的关键应用是长距离通信和短距离数据中心网络的光学交换和路由。核心构建模块是2x2交换单元，可以使用马赫-曾德干涉仪（MZI）或微机电系统（MEMS）等技术实现。
5 [+ i6 H! ]! C1 \图1显示了2x2交换单元实现和交换结构拓扑的一些例子。三角形交叉点拓扑（图1c）提供非阻塞操作，但扩展性较差。Spanke-Benes拓扑（图1d）减少了开关数量，但仅可重新排列非阻塞。PILOSS拓扑（图1e）重新获得严格的非阻塞，同时保持良好的可扩展性。

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图1
% H1 ~/ s* {8 r4 i$ n) b已经使用PIP演示了几种大规模交换结构，包括具有1024个MZI单元的32x32 PILOSS交换机（图2d）和具有144个MZI单元的32x32 Benes拓扑交换机（图2e）。这些展示了PIP实现大规模可重构光学交换的潜力。
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# }3 ~3 E+ t" L; B" Y8 r0 O0 r图2

5 h5 Q( n; v# a6 m) [, e人工智能和神经形态计算PIP为在光学领域实现人工神经网络（ANN）提供了平台。图3显示了人工神经元的基本结构和不同的ANN架构。关键挑战是实现神经元之间的加权连接。

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# Z9 `' p9 ?" V% V3 V* G图3
! j- z- s4 r8 @: `一种方法是图4所示的广播和加权方案。这里，使用波分复用来实现多个加权连接，可调谐微环谐振器（MRR）组提供可重构权重。
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图4

另一种方法使用多端口干涉仪架构来实现前馈ANN，如图5所示。这允许在输入和输出之间编程任意线性变换。
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图5
微波光子技术PIP使得在单个芯片上灵活实现各种微波光子技术功能，图6显示了通用光子处理器架构，可以重新配置用于不同的微波光子应用。

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图6
一些关键应用包括：1. 真时延线：这些对波束成形和滤波应用很重要。图7显示了如何使用可重构核心实现级联光学环形谐振器或单独载波调谐技术。

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, F3 G, F  q3 R( `. @图7
2. RF滤波器：图8演示了如何使用自同相配置中的级联环形谐振器实现6阶RF光子滤波器。
3 G3 c' N& f6 B. q% B) L

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图8
3. 微波/毫米波生成：图9说明了如何实现外部调制器和光电振荡器方法来生成高频RF信号。

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图9
4. RF混频：图10显示了使用两个级联调制器进行RF上/下变频的配置。
9 T' @; ^. G# H# j4 j

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$ ^/ e/ P8 e* s6 |4 E& L  h1 r图10
1 g6 M' r6 G- l6 A: K. v5. 波束成形网络：图11描绘了如何对离散光学延迟线进行编程以实现相控阵天线馈电。
' r5 _5 ^8 z5 o

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- u0 L- X. C5 a9 ~, G8 G# Z图11
$ d1 u$ b& T# n' W2 b* }$ U6. 瞬时频率测量：图12演示了用于测量未知RF频率的幅度比较函数方法。

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图12
: U! R2 q, _) P% P# F' fPIP提供的可重构性允许单个芯片被重新编程用于这些不同的应用，与专用光电子集成芯片相比提供了高度的灵活性。
( D# U- m" x  p+ D7 R& \光学信号处理PIP还能灵活实现各种光学信号处理功能：1. 模式转换：图13显示了一个4x4通用线性光学线路，可以在输入和输出之间执行任意模式转换。
4 u& J8 U7 R& R6 h* A

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" F9 T# [( H! U; x- F$ |0 P) T( f图13
该芯片由一个热可调MZI网络组成，具有用于反馈控制的集成功率监视器。图14演示了其作为4x4交换矩阵的操作。

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图14
2. 模式解扰：图15说明了基于三角多端口干涉仪架构的4x4模式解扰器，包含透明非接触集成光子探针（CLIPP）检测器，用于监控和控制。
+ z# M( {) W. }8 F

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图15
图16显示了用于演示在多模波导中混合后解扰四个10 Gb/s数据流的实验设置。

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- }) b' s3 d( {7 h/ p8 K图16
主要优势和挑战PIP在经典应用中的主要优势包括：

可重构性：单个芯片可以重新编程用于多种功能，降低成本并提高灵活性。

可扩展性：已经展示了具有数百个可调元件的大规模线路。

集成：多种功能可以组合在单个芯片上，减少尺寸、重量和功耗。

带宽：光子实现可以处理比电子对应物高得多的带宽。[/ol]
7 ?2 u9 w# U+ I# i+ l" _然而，也存在一些挑战：

损耗：可重构线路通常比固定线路具有更高的损耗，这可能影响整体系统性能。

控制复杂性：大规模PIC需要复杂的控制系统来编程和稳定所有可调元件。

精度：实现光学相位和幅度的高精度控制仍然具有挑战性。

非线性效应：在光学领域实现神经元激活函数等非线性功能仍然困难。
[/ol]
未来展望PIP是快速发展的领域，对革新经典光学和微波光子应用具有巨大潜力。有前景的未来方向包括：

改进的调谐机制：具有更低功耗、更高速度和更好精度的新型调谐方法。

先进的控制技术：用于大规模PIC自动配置和稳定的机器学习方法。

异质集成：结合不同材料平台以利用它们各自的优势。

非线性效应：结合非线性光学效应以扩大可实现功能的范围。

量子应用：将PIP概念扩展到量子信息处理。
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7 @9 q5 }7 q: H: K# |随着PIP技术的成熟，可以期待看到更复杂的片上系统，将多个经典和潜在的量子功能组合在单个可重编程光子处理器上。这将使通信、传感和计算领域中以前用固定光子或电子线路无法实现的新应用成为可能。
参考文献[1]J. Capmany and D. Pérez, "Programmable Integrated Photonics," Oxford University Press, 2020.

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