可编程集成光电子技术概述

逍遥设计自动化

引言
可编程集成光电子技术（PIP）是新兴领域，旨在创建可在芯片上重新配置的光电子线路[1]。类似于现场可编程门阵列（FPGA）革新电子电路设计，PIP实现灵活且可适应的光电子集成芯片（PIC），可以针对不同应用进行重新编程。本文概述PIP的关键概念、技术和应用。
- {) f# B0 T+ h) ]. X. ~4 d3 U核心概念：波导网格PIP的核心是波导网格的概念 - 可动态重构的2D互连光波导阵列。基本构建块是可调谐基本单元（TBU），由两个通过可调谐元件（如马赫-曾德干涉仪（MZI））耦合的波导组成。通过控制每个TBU的耦合比和相位，光可以以任意方式通过网格路由，以实现不同的线路拓扑。
! z6 v* M( O* D) u图1显示不同波导网格排列的示例，包括三角形、矩形、正方形和六边形拓扑。六边形网格为实现前馈和反馈光路提供了最大的灵活性。

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图1图2说明了六边形单元的结构和TBU的不同操作模式。每个TBU可以被编程为交叉开关、直通开关或可调谐耦合器。
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图2

制造技术PIP电路可以使用与传统PIC相同的材料平台制造。三个主要选项是：1.磷化铟（InP）：提供有源和无源组件的单片集成，但损耗较高。2.绝缘体上硅（SOI）：利用CMOS制造工艺，实现高密度集成，但缺乏原生光源。3.氮化硅（Si3N4）：提供非常低的传播损耗，但需要有源组件的混合集成。
图3显示了这三个平台典型波导结构的横截面。
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图3几个PIP电路的实验演示。图4和5分别显示了在硅和氮化硅中制造的芯片示例。
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图4
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& D- U0 `# ?5 H: D% |3 L图5编程PIP线路PIP的真正威力在于其可编程性。通过适当设置波导网格中的可调元件，可以在相同硬件上实现各种光学功能。关键能力包括：1.FIR和IIR滤波器：通过在网格中编程适当的反馈路径可以实现有限和无限脉冲响应滤波器。2.光学环形谐振器：可以实现具有可调耦合和往返相位的单腔和多腔环形谐振器。3.延迟线：通过将光路由通过网格中的不同路径长度可以创建可调光学延迟线。4.酉变换：可以实现输入和输出模式之间的任何线性光学变换，使量子光学应用成为可能。
图6和7显示了在硅PIP芯片中实现环形谐振器和耦合谐振器滤波器的实验结果。

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+ m. ?5 a5 _; `  \  f4 [图6

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图7图8演示了可调光学延迟线的实现。
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4 \+ S1 \# l/ B. h1 W图8为了实现任意酉变换，可以对波导网格进行编程以模拟三角形或矩形分束器排列。图9和10显示了在PIP芯片上实现的3x3和4x4酉变换的示例。

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图9
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图10应用PIP的多功能性使其能够在不同领域有广泛的应用：1.电信：用于微波光子学和无线电光纤系统的可重构光学滤波器、真时延和波束形成网络。2.量子信息：用于量子门、玻色子采样和量子模拟的可编程线性光学电路。3.机器学习：神经网络层和储备池计算的光学实现。4.传感：多参数集成光子传感器和光谱仪。5.信号处理：FFT、希尔伯特变换和其他信号处理操作的光学实现。
0 w! ~' v; D5 _3 O图11显示了包含PIP核心及输入/输出接口的通用光子处理器的概念架构。
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% l, |1 U% u8 @% a图11图12说明了这种处理器可能的不同操作模式，包括全光、电光和光电信号处理。

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  V: M5 D& H% u6 u图12图13演示了如何对PIP线路进行编程以实现灵活的光学通道管理，包括添加-删除复用和广播操作。

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图13挑战和未来展望PIP显示出巨大的潜力，但仍有需要解决的挑战：1.损耗：通过多个TBU的累积损耗可能限制大型网格的可扩展性。2.控制复杂性：编程数百个可调元件需要复杂的控制电子设备和算法。3.制造变异：需要通过自适应校准方案来补偿器件参数的变化。4.功耗：大量相移器的热调谐可能导致高功耗。
未来的研究方向包括：1.开发更高效的调谐机制（例如MEMS或电光效应）以减少功耗。2.合并增益元件以克服大规模网格中的损耗。3.探索新型网格拓扑和控制算法以增强可编程性。4.将PIP核心与电子设备集成，以实现完整的片上系统解决方案。
- X" H" L& |& D% B/ u! {4 a, t随着该领域的成熟，可能会看到现场可编程光电子门阵列（FPPGA）的出现 - 可以像电子FPGA一样编程的通用光电子芯片。图14显示了这种FPPGA设备的概念示意图。

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图14结论可编程集成光电子线路代表了光电子集成芯片设计的范式转变。通过实现光学功能的后制造重构，PIP有望降低光电子系统的开发成本和上市时间。随着制造技术的改进和控制技术的进步，可以预期PIP将在通信、传感和信息处理等广泛应用领域产生重大影响。
9 Z4 S2 O8 ^7 o8 |参考文献[1]J. Capmany and D. Pérez, "Programmable Integrated Photonics," Oxford University Press, 2020.
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