可编程光电子集成芯片的具体实现

文摘   科技   2024-09-10 08:01   四川  
引言
可编程光电子集成芯片(PIC)成为在芯片上实现可重构光学系统的强大平台,本文概述了可编程PIC实际实现的主要考虑因素和挑战,重点关注多端口干涉仪和波导网格架构。

实验演示
早期的实验演示展示了可编程PIC的潜力:
多端口干涉仪:
  • 硅基15个可调基本单元(TBU)的6x6三角形排列[图1a]
  • 硅基9个TBU的4x4三角形排列[图1b]
  • 硅基88-MZI梯形排列[图1e]

波导网格:
  • 基于氮化硅光电子的7个TBU的2单元方形拓扑[图2a]
  • 基于硅基光电子的30个TBU的7单元六角形拓扑[图2b]
  • 基于氮化硅光电子的40个TBU的10单元六角形拓扑[图2c]

这些演示通过编程网格实现了各种光学功能,如滤波器、分束器和线性变换。例如,图3显示了在六角形网格中实现环形谐振器滤波器。

图1

图2

图3

扩展考虑因素
随着可编程PIC扩展到更大规模,几个因素限制了其性能:
  1. 累积损耗:总损耗随着穿过的TBU数量增加而增加。例如,每个TBU损耗0.2 dB时,10 dB总损耗预算限制最大路径长度约为50个TBU。
  2. 占用面积:芯片面积限制了可以集成的最大TBU数量。当前设计限制在约20-400 mm2范围内。
  3. 功耗:总功耗随着活跃TBU数量增加而增加。热调谐通常每个TBU需要10-30 mW。
  4. 电气布线:对于大规模集成,连接每个TBU的电信号变得具有挑战性。需要多层布线。
  5. TBU性能:单个TBU的插入损耗、串扰和调谐精度影响整体系统性能。

误差源及影响
几个误差源影响可编程PIC的性能:
  1. 波导变化:制造缺陷导致波导几何形状和有效折射率偏差。
  2. 温度漂移:环境温度变化和致动器之间的热串扰影响相位。
  3. 驱动信号漂移:电驱动器的精度有限和噪声导致相位误差。
  4. 器件非理想性:TBU中不完美的分束比、相位控制和损耗在线路中累积。

图4显示了耦合器和相位误差对TBU性能的影响:

图4
这些误差导致消光比下降、串扰增加以及偏离理想线路行为。需要仔细表征和校准以减轻其影响。

监控和控制架构
闭环控制系统对配置和优化可编程PIC很有必要:

图5
主要组件包括:
  1. 处理单元(PU):运行算法确定最佳线路配置
  2. 多通道电子驱动阵列(MEDA):为致动器提供电信号
  3. 多通道电子监控阵列(MEMA):读取各点的光功率

该系统能够根据变化的条件或要求动态重构和优化PIC。

软件框架
软件层对充分发挥可编程PIC的潜力很重要。主要方面包括:
  1. 表征:映射每个TBU的响应
  2. 线路合成:确定所需功能的TBU设置的算法
  3. 优化:改进性能和补偿误差的迭代方法
  4. 自动布线:为给定规格找到通过网格的最佳路径

图6显示了编程波导网格的典型工作流程:

图6

可以使用梯度下降等高级优化技术来配置复杂功能。
图7演示了1x8分束器的优化:

图7

实际例子
为说明编程过程,考虑在7单元六角形网格上实现多个光学功能:

图8

这个例子显示:
  1. 配置12-TBU环形谐振器(配置1)
  2. 重构为4-TBU马赫-曾德干涉仪(配置2)
  3. 6-TBU环和2-TBU MZI同时操作(配置3)

通过调整每个TBU的驱动电流实现动态重构。得到的光谱响应展示了可编程架构的多功能性。

未来展望
可编程PIC正在快速发展,未来发展的几个关键领域包括:
  1. 扩展:集成更多TBU(>1000),同时管理损耗和功耗
  2. 改进TBU:降低单个单元的插入损耗、串扰和功耗
  3. 新型调谐机制:探索热光调谐的替代方案,实现更快、更高效的操作
  4. 高级控制:实施机器学习和自适应算法以实现稳健操作
  5. 混合架构:将可编程网格与专用高性能构建模块相结合

结论
可编程PIC为在芯片上实现可重构光学系统提供了灵活性。当前的演示已显示出巨大潜力,但在扩展到更大、更复杂的系统方面仍存在重大挑战。克服损耗、功耗和控制复杂性的限制对实现该技术的全部潜力很重要。创新光电子设计、先进控制系统和复杂软件框架的结合将推动可编程PIC的持续发展,为通信、传感和信息处理等领域带来新的应用。

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



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