來(lái)源：逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

1可編程光子技術(shù)的發(fā)展背景

硅基光電子技術(shù)的發(fā)展催生了可編程光電子集成芯片的誕生，這類(lèi)芯片可以通過(guò)軟件重新配置來(lái)實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用功能，而無(wú)需重新流片制造。比利時(shí)根特大學(xué)和IMEC的研究人員展示了一種六邊形波導(dǎo)網(wǎng)格架構(gòu)，在環(huán)形諧振器配置中實(shí)現(xiàn)了超過(guò)30 GHz的自由光譜范圍。這項(xiàng)工作解決了可編程光子技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中面臨的核心挑戰(zhàn)之一。

可編程光電子集成芯片的概念借鑒了數(shù)字電子學(xué)中現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）的思想。正如FPGA允許工程師快速原型化和測(cè)試數(shù)字線(xiàn)路而無(wú)需為每個(gè)設(shè)計(jì)制造定制芯片一樣，可編程光電子集成芯片使研究人員能夠通過(guò)軟件控制在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)各種光學(xué)功能。這種能力顯著加速了光子應(yīng)用的研發(fā)周期，傳統(tǒng)方法每次新設(shè)計(jì)迭代都需要數(shù)月的制造流程[1]。

02六邊形網(wǎng)格架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1：可編程光子線(xiàn)路架構(gòu)的全貌，包括(a)七單元六邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，(b)單個(gè)光學(xué)門(mén)的版圖設(shè)計(jì)，顯示MMI耦合器和相移器，(c)完整光電鏈路版圖，(d)封裝器件照片，展示光纖陣列和印刷電路板，(e)在IMEC的iSiPP200工藝中制造的線(xiàn)路芯片。

整個(gè)架構(gòu)由七個(gè)六邊形單元組成網(wǎng)格圖案，每個(gè)單元的邊上包含一個(gè)光學(xué)門(mén)，整個(gè)線(xiàn)路共有42個(gè)光學(xué)門(mén)。每個(gè)光學(xué)門(mén)作為基本構(gòu)建模塊，實(shí)現(xiàn)為平衡馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x，由兩個(gè)多模干涉儀耦合器和兩臂上的熱光相移器構(gòu)成。相移器采用局部懸空結(jié)構(gòu)的摻雜硅材料，提高熱效率，實(shí)現(xiàn)了7.8毫瓦每π弧度相移的平均調(diào)諧效率。通過(guò)控制輸送到這些相移器的電功率，可以獨(dú)立調(diào)諧每個(gè)門(mén)的耦合比和相位響應(yīng)，使線(xiàn)路能夠?qū)崿F(xiàn)多種光學(xué)功能。

03測(cè)量系統(tǒng)與控制基礎(chǔ)設(shè)施

測(cè)量這個(gè)可編程線(xiàn)路的表征系統(tǒng)展示了此類(lèi)器件所需的精密控制基礎(chǔ)設(shè)施。光開(kāi)關(guān)將耦合到芯片的光纖陣列與各種儀器連接，包括可調(diào)諧激光器、功率計(jì)和光矢量分析儀。84個(gè)相移器的驅(qū)動(dòng)電流來(lái)自定制的多通道電流源，整個(gè)芯片放置在溫度控制器上以保持穩(wěn)定的工作條件。Python軟件框架協(xié)調(diào)所有這些儀器，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)路的自動(dòng)校準(zhǔn)和配置。

圖2：測(cè)量基礎(chǔ)設(shè)施的完整設(shè)置，包括光開(kāi)關(guān)、溫度控制器上的可編程線(xiàn)路以及用于相移器控制的多通道直流源。

04校準(zhǔn)方法與流程

校準(zhǔn)是有效操作可編程光電子集成芯片的關(guān)鍵步驟。由于制造差異，每個(gè)光學(xué)門(mén)的初始狀態(tài)略有不同，相移器之間的熱光效率也存在變化。校準(zhǔn)過(guò)程在掃描驅(qū)動(dòng)電流時(shí)測(cè)量每個(gè)門(mén)的傳輸曲線(xiàn)，然后提取電流-相位關(guān)系，該關(guān)系捕獲了初始相位差和調(diào)諧效率信息。這些信息使控制軟件能夠精確設(shè)置每個(gè)門(mén)到任何所需的耦合比。校準(zhǔn)程序依次處理所有門(mén)，將已校準(zhǔn)的門(mén)初始化為交叉狀態(tài)，以最小化后續(xù)測(cè)量期間的寄生干擾效應(yīng)。

05光學(xué)門(mén)的性能表征

光學(xué)門(mén)實(shí)現(xiàn)了出色的性能特征，直接轉(zhuǎn)化為更優(yōu)異的線(xiàn)路級(jí)指標(biāo)。單個(gè)門(mén)的消光比在棒態(tài)下超過(guò)40 dB，在交叉態(tài)下超過(guò)52 dB，表明多模干涉儀保持接近完美的五五分光比。這些高消光比在橫跨C波段的100納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)保持一致，展示了寬帶工作能力。更重要的是，每個(gè)門(mén)僅貢獻(xiàn)0.28 dB的插入損耗，同時(shí)僅引入5.5皮秒的群延遲，使這成為可編程光子線(xiàn)路最緊湊和低損耗的實(shí)現(xiàn)方案之一。

圖3：光學(xué)門(mén)的表征結(jié)果，包括(a)相移器的電流-電壓關(guān)系，(b)電功率與相移之間的線(xiàn)性關(guān)系，(c)展示高消光比的傳輸曲線(xiàn)。

06延遲線(xiàn)測(cè)量驗(yàn)證

這些門(mén)級(jí)性能指標(biāo)通過(guò)系統(tǒng)測(cè)量配置了不同數(shù)量門(mén)的光延遲線(xiàn)來(lái)驗(yàn)證。最長(zhǎng)的延遲線(xiàn)穿過(guò)所有46個(gè)可用的門(mén)（邊緣門(mén)通過(guò)一次，內(nèi)部門(mén)通過(guò)兩次），創(chuàng)建具有不同累積損耗和群延遲的光路徑。通過(guò)測(cè)量同一輸入-輸出端口對(duì)之間多個(gè)延遲線(xiàn)配置的插入損耗和群延遲，線(xiàn)性回歸得出每個(gè)門(mén)的數(shù)值，同時(shí)消除了光纖耦合變化帶來(lái)的測(cè)量誤差。插入損耗與群延遲之間的線(xiàn)性關(guān)系確認(rèn)了整個(gè)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中光學(xué)門(mén)的均勻性。

07環(huán)形諧振器配置

當(dāng)五個(gè)門(mén)工作在棒態(tài)而一個(gè)門(mén)提供與總線(xiàn)波導(dǎo)的耦合時(shí)，單個(gè)六邊形單元自然形成環(huán)形諧振器。這個(gè)六門(mén)環(huán)形配置實(shí)現(xiàn)了0.25納米的自由光譜范圍，對(duì)應(yīng)于頻率域的31 GHz。在臨界耦合條件下，即耦合強(qiáng)度與往返損耗匹配時(shí)，諧振特征的半高全寬為30皮米，產(chǎn)生約52000的品質(zhì)因子。這個(gè)Q因子獨(dú)立確認(rèn)了0.27 dB的平均門(mén)損耗，與延遲線(xiàn)測(cè)量一致，驗(yàn)證了整體線(xiàn)路表征方法的正確性。

圖4：光學(xué)門(mén)性能指標(biāo)，包括(a)1500至1600納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)的消光比，(b)各種延遲線(xiàn)配置的插入損耗與群延遲之間的線(xiàn)性關(guān)系，(c)具有46個(gè)門(mén)的最長(zhǎng)延遲線(xiàn)配置。

08光分路器的實(shí)現(xiàn)

這個(gè)線(xiàn)路的可編程特性使得僅通過(guò)軟件配置就能實(shí)現(xiàn)多樣的光學(xué)功能。八路光分路器展示了路由靈活性，使用三級(jí)二路分路器將輸入功率均勻分配到八個(gè)輸出端口。每級(jí)提供3 dB分光，平衡的光路徑確保所有輸出端口之間的相位關(guān)系均勻。測(cè)量到每個(gè)輸出端口的傳輸顯示約10 dB的總損耗，與三個(gè)分光級(jí)的9 dB加上與參考波導(dǎo)相比的光路長(zhǎng)度約1 dB一致。

09波長(zhǎng)復(fù)用器應(yīng)用

波分復(fù)用應(yīng)用受益于級(jí)聯(lián)配置多個(gè)上下路環(huán)形諧振器的能力。三通道波長(zhǎng)復(fù)用器使用三個(gè)調(diào)諧到不同諧振波長(zhǎng)的串聯(lián)上下路環(huán)。每個(gè)環(huán)的耦合比獨(dú)立優(yōu)化，總線(xiàn)波導(dǎo)耦合設(shè)置為0.44，下路端口耦合調(diào)整為0.19，以最大化消光比同時(shí)最小化插入損耗。環(huán)內(nèi)門(mén)的公共相位允許精確調(diào)諧諧振波長(zhǎng)到所需的通道間隔。這種配置成功展示了從直通端口下路三個(gè)波長(zhǎng)通道，同時(shí)從獨(dú)立輸入端口添加三個(gè)通道。

圖5：環(huán)形諧振器的配置和性能，包括(a)形成環(huán)形腔的六邊形單元排列，(b)具有31 GHz自由光譜范圍的傳輸光譜，(c)臨界耦合時(shí)的諧振峰，30皮米線(xiàn)寬對(duì)應(yīng)52000的Q因子。

10有限脈沖響應(yīng)濾波器

光學(xué)濾波器是特別重要的應(yīng)用，展示了這個(gè)可編程平臺(tái)的多功能性和性能優(yōu)勢(shì)。濾波器可以分為有限脈沖響應(yīng)（FIR）設(shè)計(jì)和無(wú)限脈沖響應(yīng)（IIR）設(shè)計(jì)，類(lèi)似于數(shù)字信號(hào)處理的概念。FIR濾波器使用級(jí)聯(lián)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的前饋路徑來(lái)創(chuàng)建具有固有穩(wěn)定性的線(xiàn)性相位響應(yīng)。在這個(gè)芯片上配置的二級(jí)MZI晶格濾波器實(shí)現(xiàn)了具有平頂通帶特性的三階交織器。第一級(jí)在兩臂之間引入兩門(mén)延遲，而第二級(jí)使用四門(mén)延遲，耦合比精確調(diào)諧為0.5、0.29和0.08以實(shí)現(xiàn)所需的平頂響應(yīng)。所得濾波器在兩個(gè)輸出端口之間表現(xiàn)出平衡傳輸，插入損耗約為3 dB，阻帶消光超過(guò)20 dB。

圖6：八路光分路器的實(shí)現(xiàn)，包括(a)三級(jí)分光樹(shù)示意圖，(b)在可編程線(xiàn)路上的配置，(c)測(cè)量到所有八個(gè)輸出端口的傳輸光譜。

11無(wú)限脈沖響應(yīng)濾波器

IIR濾波器包含反饋路徑，能夠在通帶和阻帶之間實(shí)現(xiàn)更陡的滾降，代價(jià)是非線(xiàn)性相位響應(yīng)和存在增益時(shí)的潛在不穩(wěn)定性。耦合雙環(huán)濾波器體現(xiàn)了這種方法，兩個(gè)并聯(lián)的環(huán)形諧振器提供多個(gè)反饋路徑。通過(guò)調(diào)整三個(gè)耦合比和環(huán)之間的相對(duì)相位，可以動(dòng)態(tài)調(diào)諧通帶帶寬和中心波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)演示顯示可調(diào)帶寬范圍從0.1 FSR（3 GHz）到0.3 FSR（9 GHz）。較窄的帶寬實(shí)現(xiàn)超過(guò)20 dB的更高阻帶消光比，但插入損耗增加到約9 dB，而較寬的帶寬以消光比換取較低的插入損耗，說(shuō)明了IIR濾波器綜合中固有的設(shè)計(jì)權(quán)衡。

圖7：三通道波長(zhǎng)復(fù)用器，包括(a)波長(zhǎng)λ?、λ?、λ?處的級(jí)聯(lián)上下路環(huán)示意圖，(b)線(xiàn)路配置，(c)展示三個(gè)下路和三個(gè)上路通道的傳輸光譜。

12游標(biāo)環(huán)配置擴(kuò)展自由光譜范圍

自由光譜范圍限制了基于環(huán)的濾波器配置的可用帶寬，由通過(guò)環(huán)形腔的一次完整往返的光路長(zhǎng)度決定。雖然單個(gè)六邊形單元的31 GHz自由光譜范圍已經(jīng)是均勻可編程光電子集成芯片報(bào)告的最大值，但某些應(yīng)用需要更大的光譜范圍。兩種高級(jí)配置可以通過(guò)巧妙的架構(gòu)方法將有效自由光譜范圍擴(kuò)展到超過(guò)這個(gè)單元限制。

游標(biāo)環(huán)配置利用兩個(gè)具有不同自由光譜范圍的耦合環(huán)來(lái)為復(fù)合濾波器創(chuàng)建更大的有效自由光譜范圍。一個(gè)環(huán)使用六個(gè)門(mén)，自由光譜范圍FSR?等于0.25納米，而第二個(gè)環(huán)采用十個(gè)門(mén)，產(chǎn)生FSR?等于FSR?的五分之三。游標(biāo)效應(yīng)使組合系統(tǒng)的自由光譜范圍等于FSR?的三倍，即0.75納米，對(duì)應(yīng)93 GHz?？偩€(xiàn)波導(dǎo)與環(huán)之間的耦合比0.29、0.08和0.29經(jīng)過(guò)優(yōu)化以平衡插入損耗和消光比。測(cè)量的傳輸光譜確認(rèn)了三倍的自由光譜范圍，盡管約7 dB的阻帶消光仍受通過(guò)兩個(gè)環(huán)的累積往返損耗限制。

圖8：MZI晶格濾波器，包括(a)二級(jí)級(jí)聯(lián)MZI示意圖，(b)具有不同延遲長(zhǎng)度的線(xiàn)路配置，(c)測(cè)量的平頂交織器響應(yīng)，顯示到兩個(gè)輸出端口的平衡傳輸。

13雙注入環(huán)配置

擴(kuò)展自由光譜范圍的另一種方法使用雙注入環(huán)配置，其中輸入信號(hào)分成兩路，在不同位置耦合到同一環(huán)形腔中。這兩個(gè)注入點(diǎn)之間的光路長(zhǎng)度差決定了組合系統(tǒng)的有效自由光譜范圍。注入路徑之間存在兩門(mén)延遲時(shí)，濾波器實(shí)現(xiàn)與游標(biāo)配置相同的0.75納米自由光譜范圍，再次對(duì)應(yīng)93 GHz。這種架構(gòu)需要波導(dǎo)交叉來(lái)正確路由輸出端口，但線(xiàn)路的可編程特性允許簡(jiǎn)單地通過(guò)配置一個(gè)光學(xué)門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)交叉，因?yàn)榭删幊坦怆娮蛹尚酒昧斯鈱W(xué)門(mén)可以同時(shí)用于兩個(gè)獨(dú)立光路徑的事實(shí)。當(dāng)耦合比設(shè)置為0.3、0.5和0.7時(shí)，測(cè)量的濾波器響應(yīng)展示了具有16 dB消光比的帶通特性。

圖9：耦合雙環(huán)濾波器，包括(a)并聯(lián)環(huán)示意圖，(b)線(xiàn)路配置，(c)可調(diào)帶通響應(yīng)，可調(diào)帶寬從0.1 FSR（3 GHz）到0.3 FSR（9 GHz）。

14與其他可編程光電子集成芯片的性能比較

將這項(xiàng)工作與最近發(fā)表的可編程光電子集成芯片進(jìn)行比較，揭示了通過(guò)優(yōu)化門(mén)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的性能優(yōu)勢(shì)。在六邊形網(wǎng)格架構(gòu)中，這個(gè)實(shí)現(xiàn)方案實(shí)現(xiàn)了最短的每門(mén)時(shí)間延遲5.5皮秒，相比之前六邊形設(shè)計(jì)的11.25皮秒，直接轉(zhuǎn)化為最高的單元自由光譜范圍31 GHz，而早期工作為15 GHz。每門(mén)0.28 dB的插入損耗也代表了報(bào)告的最低值，改進(jìn)了競(jìng)爭(zhēng)設(shè)計(jì)的0.48 dB損耗。雖然非均勻網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可以通過(guò)擴(kuò)展游標(biāo)配置實(shí)現(xiàn)更大的最大自由光譜范圍，但犧牲了路徑平衡和路由靈活性，這對(duì)于許多應(yīng)用必不可少，包括可調(diào)延遲線(xiàn)和光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需的前饋矩陣操作。

15未來(lái)改進(jìn)方向

7.8毫瓦每π弧度的熱效率雖然優(yōu)于需要25毫瓦每π弧度的電阻加熱器設(shè)計(jì)，但仍有改進(jìn)空間。未來(lái)迭代可以采用其他相移技術(shù)，如微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）或液晶器件，提供數(shù)量級(jí)更低的功耗，潛在地將待機(jī)功率降低到飛瓦級(jí)。物理門(mén)長(zhǎng)度可以通過(guò)用23微米的定向耦合器替換53微米的多模干涉儀來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化，將總門(mén)長(zhǎng)度減少60微米，相應(yīng)地降低群延遲以實(shí)現(xiàn)更大的自由光譜范圍。

圖10：游標(biāo)環(huán)濾波器，包括(a)兩個(gè)具有不同自由光譜范圍的耦合環(huán)，(b)具有六門(mén)和十門(mén)環(huán)的線(xiàn)路配置，(c)展示93 GHz（0.75納米）三倍自由光譜范圍的傳輸光譜。

16技術(shù)成果與應(yīng)用前景

這個(gè)可編程光子線(xiàn)路展示了精心優(yōu)化的構(gòu)建模塊能夠?qū)崿F(xiàn)適合實(shí)際應(yīng)用的實(shí)用方案。低插入損耗、短光延遲和高消光比的組合允許復(fù)雜的濾波器配置，性能指標(biāo)以前僅在定制設(shè)計(jì)的線(xiàn)路中可實(shí)現(xiàn)。通過(guò)軟件配置在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)包括光分路器、波長(zhǎng)復(fù)用器、FIR濾波器和IIR濾波器在內(nèi)的多樣功能的能力，驗(yàn)證了可編程光子技術(shù)作為加速光子線(xiàn)路開(kāi)發(fā)的可行平臺(tái)。游標(biāo)環(huán)和雙注入環(huán)等高級(jí)配置將有用的頻譜范圍擴(kuò)展到接近100 GHz，使這些線(xiàn)路適用于電信和其他具有苛刻頻譜要求的應(yīng)用。

圖11：雙注入環(huán)濾波器，包括(a)具有延遲Δ?和相位φ的分路輸入路徑，(b)利用門(mén)進(jìn)行波導(dǎo)交叉功能的線(xiàn)路配置，(c)展示具有93 GHz自由光譜范圍的帶通響應(yīng)的傳輸光譜。

成熟的CMOS制造技術(shù)、精密的控制電子設(shè)備和先進(jìn)的校準(zhǔn)算法的融合，使可編程光子技術(shù)從研究興趣轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜光學(xué)系統(tǒng)快速原型化和部署的實(shí)用工具。隨著硅基光電子技術(shù)社群繼續(xù)改進(jìn)這些架構(gòu)并探索新應(yīng)用，可編程光電子集成芯片將在加速光子應(yīng)用創(chuàng)新中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，涵蓋從電信和傳感到光量子技術(shù)和光計(jì)算的廣泛領(lǐng)域。