集成光电子技术是专注于生成、处理、控制和检测携带信息的引导光波信号的技术。支持电信、计算、传感、机器人和航空航天等广泛应用。集成光电子技术与微电子学有一些相似之处，如利用半导体制造工艺，但也有一些关键的不同之处。与硅在电子领域的主导地位不同，没有任何一种材料平台可以单片集成所有所需的光子元件。这就需要结合多种芯片或材料的混合或异构集成方法。此外，光电子技术在模拟域中运行，其线性光信号不易存储，这与微电子技术的数字和非线性开关操作形成鲜明对比。然而，正是这种互补性为集成光子学带来了机遇，使其能够解决微电子学面临的停滞不前的扩展规律所带来的限制。解决方案是在集成光子学中采用可编程技术，类似于微处理器、FPGA 和 DSP 等可编程电子设备。这种方法利用单一的可重新配置硬件平台，通过软件编程实现和仿真多个电路和功能，从而大大节约成本并缩短开发周期。可编程集成光电子技术背后的原理围绕着独立控制干扰光信号的振幅和相位的能力。这是通过可调耦合器、马赫-泽恩德干涉仪和移相器等基本构件实现的，这些构件可通过外部电子信号进行编程。![]()
图 1. 可编程集成光电子技术的基本构件如图 2 所示，通过组合和互连这些基本模块，出现了三代可编程光子硬件：![]()
图 2. 可编程集成光电子技术硬件的三个系列
1. 可重构 ASPIC： 保留固定设计的核心功能，但具有可调整的操作点。2. 多点干涉仪：由可调谐干涉仪构建的二维固定拓扑结构，模拟任意线性变换。 3. 光子波导网格： 二维模式的平衡干涉仪，如六边形网格，能够模拟任何前馈、后馈和可重新配置的 ASPIC 变换。如图 3 所示，操作可编程集成光子处理器需要一个分层的 “技术堆栈 ”来协调不同的任务：![]()
图 3. 通用集成光电子处理器的技术堆栈光子层由可编程波导网芯片和输入/输出端口等周边组件组成。电子层通过电子信号对光子元件进行监测、控制和驱动。最后，软件层提供用户编程环境和底层资源优化与协调。如图 4 所示，作为一种横向使能技术，可编程集成光子技术可应用于多个领域：![]()
图 4. 可编程集成光电子技术的应用领域1. 电信和数据中心： 用于大容量、低功耗电路交换的灵活收发器、路由器、交换机和多路复用器/多路分解器。2. 5G/6G 无线通信： 光纤与射频段之间的可编程接口，实现多频段、多通道和多输入/多输出功能。3. 高性能计算： 用于并行计算、多核互联和分解集群的硬件加速器。4. 传感器： 物联网、智慧城市、激光雷达和自动驾驶的同步通信和传感功能。5. 人工智能和新型计算： 用于深度学习的快速矩阵矢量乘法，与新型光子计算范例的集成。6. ASPIC 制造：ASPIC 设计的快速原型和仿真。7. 量子信息系统： 用于量子逻辑门、玻色子采样和数字运算的线性光学变压器仿真。随着可编程集成光电子技术的进一步成熟，这一清单预计还会增加。可编程集成光电子技术前景广阔，但也面临着可扩展性、损耗和功耗方面的挑战。目前正在努力增加元件数量，减少传播和耦合损耗（目标是总体损耗小于 4 dB），并通过非易失性调谐机制实现低功耗或可忽略不计的功耗。如果这些挑战得到解决，可编程集成光电子技术将与关键的可编程电子技术一样重要，从而开创跨越不同应用领域的高度灵活、多功能和高性价比光电子系统的新时代。[1]J. Capmany and D. Perez-Lopez, "Programmable Integrated Photonics: A New Paradigm for Low Cost Multifunctional Optics," *Photoniques*, no. 125, pp. 34-38, May. 2024. doi: 10.1051/photon/202412534.
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