可编程光电子集成芯片的集成波导网格

逍遥设计自动化

引言
集成波导网格代表了可编程光电子集成芯片（PIC）的令人兴奋的新范式。多功能结构通过适当设置控制信号，可以在单个芯片上动态配置各种光电子功能。本文将介绍集成波导网格背后的关键概念，探讨不同的网格拓扑及其性能特征以及如何使用这个平台编程复杂的光电子线路。
& z6 {9 {& Q; D  G波导网格基础
波导网格的核心构建模块是可调基本单元（TBU）。这通常由一个平衡的马赫-曾德干涉仪组成，两个臂上都有相移器，允许独立控制分光比和相位。通过将每个TBU配置为可调耦合器、交叉开关或相移器，可以合成复杂的光电子线路。
TBU以规则的模式互连形成网格。常见的拓扑结构包括方形、三角形和六边形排列，如图1所示。网格拓扑的选择影响空间分辨率、重构灵活性和集成密度等特性。

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) C& p8 e! p8 S& o% }! o图1：方形、三角形和六边形网格拓扑实现基本光电子线路元件的示例。

9 _: z1 \1 G2 G9 z/ C' I. J, X网格拓扑比较
1 [% v( d* k1 T/ k: ?7 T# g对不同网格拓扑性能的详细分析揭示了几个关键的权衡：

空间调谐分辨率：这决定了实现延迟线或干涉结构的最小步长。六边形网格提供了2个基本单位长度（BUL）的最佳分辨率。

重构性能：这衡量可以实现多少种独特的滤波器配置。六边形网格表现最佳，特别是对于马赫-曾德干涉仪（MZI）结构。

集成密度：与方形网格相比，六边形网格每单位面积所需的开关元件减少了36.66%。

复制灵活性：这表示给定结构可以实现的方式数量。方形网格对环形谐振器最灵活，而六边形网格对MZI最佳。

损耗和偏振效应：由于波导弯曲更有利，六边形网格通常具有较低的损耗和偏振旋转。[/ol]
$ V9 n, O& p  Q& K1 D总体而言，六边形网格拓扑在这些指标上提供了最佳的全面性能。表1总结了关键的比较结果。
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表1：不同网格拓扑的性能指标总结。
! J) T6 A3 j, d& {* j! A5 u网格拓扑比较
波导网格的真正优势在于它们能够动态重构以实现广泛的光电子线路功能。关键示例包括：有限脉冲响应（FIR）滤波器通过配置具有所需差分长度的路径，可以轻松实现不平衡马赫-曾德干涉仪等FIR滤波器。图2展示了如何在六边形网格上编程多级FIR格型滤波器。
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图2：在六边形网格上实现6阶和5阶FIR格型滤波器。
无限脉冲响应（IIR）滤波器通过在网格内形成封闭的光学环路，可以创建环形谐振器和其他IIR滤波器结构。腔长决定了自由光谱范围。图3演示了单级和多级IIR滤波器的实现。
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图3：各种IIR滤波器结构的编程：（a） 10级CROW，（b） 9级SCISSOR，（c） 5级双通道SCISSOR，（d） 扭曲双通道SCISSOR。
可编程延迟线真时延线是相控阵天线等应用的关键组件。波导网格允许灵活编程具有任意延迟增量的延迟线阵列。图4显示了在六边形网格上实现的1x8波束形成网络示例。
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图4：在六边形网格上编程的1x8延迟线阵列，具有各种延迟增量。
4 d4 k% S" f2 I. N0 Q1 G  ~6 L/ b通用线性变换波导网格最强大的能力可能是能够在输入和输出模式之间实现任意线性光学变换。这是通过在网格内编程三角形（Reck）或矩形（Clements）干涉仪排列来实现的。图5展示了如何使用六边形网格上的三角形方案实现4x4幺正变换。使用既定算法计算每个分束器元件的耦合比和相移。

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! }9 ^1 C: ~" P' R- }, S/ t图5：使用三角形干涉仪方案编程4x4 Hadamard变换。
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对于更大的变换，矩形排列提供了更紧凑的实现。图6演示了使用这种方法在六边形网格上配置的5x5奇异值分解。
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6 K! o' ]5 u% k图6：使用矩形干涉仪布局实现5x5 SVD变换。
& u# ^& x5 L" w4 ?9 \  E) D实际考虑因素波导网格的灵活性非常显著，但在实际实现中需要考虑一些实际限制：1.损耗：每个TBU都会引入损耗，限制了可实现的最大路径长度和线路复杂度。典型的每TBU插入损耗为0.2-0.3 dB，将有用的网格尺寸限制在每路径约30-50个TBU。
2.串扰：元件之间的光学和热串扰可能会降低性能，特别是对于密集网格。仔细设计波导布线和热隔离很重要。
3.控制复杂性：大型网格需要复杂的控制系统来设置数百个相移器。需要高效的校准和稳定算法。
4.占用面积：虽然比固定PIC更通用，但网格的占用面积更大。并行网格布局可以帮助缓解这一问题。
5.功耗：主动相位调谐消耗大量功率，特别是对于热相移器。新型低功耗调谐机制是一个活跃的研究领域。

结论集成波导网格代表了实现灵活和可重构光电子线路的强大新范式。六边形网格拓扑提供了出色的性能特征组合，使得可以在一个通用硬件平台上编程实现非常广泛的光学功能。
4 T+ J" s* F. ?+ N, r% v随着制造技术的改进和巧妙控制算法的开发，可以期待看到波导网格在量子光电子、微波光电子和光信号处理等领域实现令人兴奋的新应用。无需制造新芯片就能快速重构复杂光学线路的能力将加速光电子技术创新和原型设计。
扩展到非常大的网格仍然存在挑战，但与传统的特定应用PIC相比，这种方法提供了灵活性。随着技术的成熟，基于波导网格核心的可编程光电子处理器可能会像现场可编程门阵列对电子系统那样普及和变革性。
参考文献[1]J. Capmany and D. Pérez, "Programmable Integrated Photonics," Oxford University Press, 2020.
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