可重构的特定应用光电子集成芯片

逍遥设计自动化

引言
光电子集成芯片（PIC）已成为在小型芯片上实现各种光信号处理功能的有前途的技术。早期的许多PIC都有为特定应用量身定制的固定设计，但开发可动态调谐或重新编程以支持多种功能的可重构PIC正引起越来越多的关注。本文概述了可重构的特定应用PIC的主要发展，重点介绍架构、功能和潜在应用。


$ `) P! D# d( j) h' J0 O8 n) h可重构光学滤波器
( b/ E& d3 P- c/ O% N可调谐光学滤波器是可重构PIC最常见和通用的构建模块之一。允许对光信号的频谱整形和滤波进行动态控制。一种广泛使用的架构基于级联环形谐振器，可以通过热或电调谐来调整它们的谐振频率和耦合强度。
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) X* c1 ?2 ?6 S- c2 Q! e图1显示了在InP技术中实现的可重构光学滤波器的例子。由多个级联环形谐振器组成，具有可调谐耦合器和相移器。通过调整调谐元件，可以动态重构滤波器响应以实现不同的滤波器形状和带宽。
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! P0 H& @7 w2 [# {- Q( P4 X图1
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0 _" w7 g7 d' |另一种滤波器架构是环辅助马赫-曾德干涉仪（RAMZI），如图2所示。将非对称马赫-曾德干涉仪与耦合到每个臂的环形谐振器相结合。RAMZI设计通过适当的调谐允许实现有限脉冲响应（FIR）和无限脉冲响应（IIR）滤波器特性。

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图2

射频相移器和延迟线
, O: z: i8 g9 u5 B7 G: i8 c0 [2 Z用于射频信号的可重构光学延迟线和相移器是波束成形和信号生成等应用的关键组件。光学环形谐振器可用于实现可调谐真时延，如图3所示的级联环形谐振器结构。通过热调谐环，可以在宽带宽上实现可变延迟。

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图3
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0 Z% {5 g5 X: I对于相移，可以使用如图4所示的结构。这里，两个级联环形谐振器在与单边带调制一起使用时实现可调谐射频相移。通过调整环谐振，可以实现完整的360°相位调谐。
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1 b8 c# B: a* c5 P图4
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: N0 |2 h$ T8 R1 ^6 E* R! F波束形成器
8 p1 v" f# |4 s! K实现可调谐延迟和相移的能力使得实现相控阵天线的光学波束形成网络成为可能。图5显示了在TriPleX波导技术中实现的1x16光学波束形成器的例子。使用级联环形谐振器在10.7-12.75 GHz频带上提供可调谐真时延，实现宽带、无斜视操作。

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' N3 ?, g1 v, I7 q6 n5 q# g图5
) g+ l9 U9 D( J/ ]% x7 L
- ?, ~9 @5 q! \' C7 _, Y  U" B任意波形发生器
可重构PIC还能够生成具有非常高带宽的任意射频波形。图6展示了一个基于频谱整形和波长到时间映射的硅基光电子任意波形发生器。它使用级联微环谐振器从输入脉冲中选择性地过滤频谱分量，然后使用以SCISSOR结构实现的可调谐延迟线。这允许生成高达50 GHz的自定义射频波形。
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, E0 b5 D3 ~- E' ~. N图6

2 d: _% [" S; u, U! b& T( S. b光电振荡器
集成光电子技术使光电振荡器（OEO）的微型化成为可能，用于生成超纯微波信号。图7显示了一个硅基光电子OEO的例子，它在单个芯片上集成了高速相位调制器、热可调谐微盘谐振器和光电探测器。这允许生成可调谐的3-8 GHz信号，具有低相位噪声。

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2 _* d( F) ~( f; b8 [2 e4 F# @2 s. a图7

( U# ?. S* N* `& E* s. ]1 ?' w; N多功能可重构PIC
虽然许多可重构PIC是为特定应用设计的，但一些架构可以通过适当的参数调整支持多种功能。图8显示了最初设计为可调谐滤波器的基于InP的线路，通过重新配置其内部可调谐耦合器、半导体光放大器和相移器，还可以实现微分、积分和希尔伯特变换等数学运算。

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) b' z( a2 _& E( \" P5 C; r6 t图8

2 |! ]# p; h7 B, C/ d5 |; y* f另一个例子是图9中的Si3N4线路，通过利用其环形谐振器的不同子集，可以同时作为频率鉴别器和超宽带脉冲发生器。

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图9

# i6 e- Z6 R9 x: H0 k走向通用可编程PIC
多功能可重构PIC的概念可以进一步扩展到更通用的可编程架构。图10展示了通用微波光子处理器架构。包含一个可重构的光学核心，具有各种光电子构建模块，如MZI、环和光栅，通过光学路由和开关元件互连。这允许动态重构以实现广泛的信号处理功能。

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图10
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结论
/ e; r* K+ u- H  i. x1 T% Y可重构应用专用PIC代表了向更灵活和多功能集成光电子系统发展的重要进化步骤。通过增加可调谐元件如相移器、可变耦合器和可切换路由，这些芯片可以动态调整其功能以支持多种应用。迄今为止展示的关键能力包括可重构滤波、真时延、相移、任意波形生成和频率合成。

目前的可重构PIC仍然主要针对特定应用领域，但趋势正朝着更通用的可编程架构发展，这些架构可以通过软件控制重新配置以实现各种功能。实现可编程光电子技术的全部潜力还需要PIC技术、调谐机制和控制系统的进一步进步，可重构PIC已经为射频和微波光子应用提供了更紧凑、高效和适应性强的解决方案。

参考文献
[1] J. Capmany and D. Pérez, "Programmable Integrated Photonics," Oxford University Press, 2020.
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