DOI: https://doi.org/10.1117/12.2674000
集成光子学改变了信息和通信系统的缩放规律，提供了将光子学与电子学相结合的架构选择，以优化性能、功耗、尺寸和成本。特定应用的光子集成回路(ASPIC)架构在集成光学中一直占主导地位，然而多功能ASPIC很难在保持相同布局的情况下进行设计，且需要大量的设计和制造迭代，导致开发时间长。
早在2017年，瓦伦西亚理工大学Daniel基于前人受FPGA启发的由二维光子波导网格实现的通用硬件通过编程实现不同的功能，提出了基于集成六边形波导网格的硅光子学多用途处理器内核[2]。
当BTU的定向耦合器具有理想的50：50分光比时，从 0%（bar）到 100%（cross）的所有耦合比都是可能的。图1左图分别描述了条形、交叉形和部分三种状态。很容易理解，BAR是直通，CROSS是交叉传输，而PARTIAL是前两种状态的混合，即部分直通部分交叉。
该工作仅考虑条形和交叉两种状态来模拟光子数字回路，这可以确定光从波导网状网络中当前单元到下一个单元的路由方向，以光学路由作为验证光子处理器可行性的功能。
4 × 4 网状网络由 5 × 4 个水平基本单元和 4 × 5 个垂直基本单元组成，假设只有一个输入源，如图 1 所示。水平基本单元和垂直基本单元可以写成矩阵的形式：
其中 x ij 表示水平基本块在相应位置的状态，而 y ij 表示垂直基本块的状态。矩阵的每个元素分别为零或一表示柱线或交叉线状态。
倘若将所有MZ模块的耦合比设置为条形模式时，输出的第一个通道有信号，而另一个没有功率，如图2所示。则状态表示[1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0]（output从下到上）和网络等效矩阵如下：
当水平和垂直矩阵设置为：
此时光子处理器输出端的数字状态为[0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,0]。需要注意的是，上面给出的矩阵只是当前状态下的可行方案之一，但并不唯一。output_8的通道输出示意图如图3所示。
基于GA的配置原理
该工作采用用于光学集成回路的智能仿真工具pSim对优化算法进行验证。评估的每一步都是基于智能软件来计算实际状态。
pSim可以实现时域和频域仿真。由MZ耦合器组成的微型环形谐振器的仿真结果如图4所示，当施加的电压改变材料性能时，传输特性也会相应变化。当直流电源电压为0V时，陷波中心接近1550nm，将电压提高到3V时，陷波中心接近1551nm。同时，陷波深度也发生了重大变化（题外话，微环特性）。该特性不仅可用于实现特定波长的通断状态，还可用于实现波长维度复用。
利用pSim的全局可编程接口，可以同时实现集成电路的仿真和路线的优化。通过优化算法得到目标状态 [0,0,0,0,0,0,0,0,1,0]和[1,0,0,0,0,0,0,0,0,0]的路径查找结果，如图5所示，实现了较大带宽内的光路由。
图5 pSim的仿真结果（a）Output_1通道的输出（b）Output_8通道的输出
该工作也构想了基于光电融合集成的多功能处理器设计思路，其中集成光子电路负责状态输出的控制，而电路则用于实现路线查找和状态转换的实现，如图6a所示。为了保证离散数据的独立性，该工作选择了状态唯一的热编码。因此，上述光子波导网络至少有 10 个有效状态。
图6(a)基于可编程光子回路自动配置的状态机示意图 (b) 100 次模拟的平均和单次时间消耗
在左侧的光子回路中，激光源通过光栅耦合器将光源输入到光芯片，光芯片根据电光调制器的输入输出相应的状态，并通过光电探测器将相应的输出状态传输到电路部分。电路板以FPGA为主控，实现光电调制器的输出控制和基于算法检索最优路径，并通过光电探测器接收当前状态信号。
该工作仿真模拟并统计100个实验找到目标路线所耗时，大部分集中在5-9秒内，100个实验的平均耗时为7.44111秒，如图6（b）所示。
跋
[1]Zhikai Zhao, Terence S.-Y. Chen, Yuhui Han, and Pengfei Cao "Automatic configuration of programmable photonic digital circuits based on genetic algorithms", Proc. SPIE 12600, International Conference on Optoelectronic Materials and Devices (ICOMD 2022), 1260015 (9 March 2023); https://doi.org/10.1117/12.2674000
[2]Pérez, D., Gasulla, I., Crudgington, L. et al. Multipurpose silicon photonics signal processor core. Nat Commun 8, 636 (2017). https://doi.org/10.1038/s41467-017-00714-1
[3]https://latitudeda.com/.
