來源：逍遙設(shè)計自動化

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，這類芯片可以通過軟件重新配置來實現(xiàn)多種應(yīng)用功能，而無需重新流片制造。比利時根特大學(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)形諧振器配置中實現(xiàn)了超過30 GHz的自由光譜范圍。這項工作解決了可編程光子技術(shù)在實際應(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)場可編程門陣列（FPGA）的思想。正如FPGA允許工程師快速原型化和測試數(shù)字線路而無需為每個設(shè)計制造定制芯片一樣，可編程光電子集成芯片使研究人員能夠通過軟件控制在單個芯片上實現(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

圖1：可編程光子線路架構(gòu)的全貌，包括(a)七單元六邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，(b)單個光學(xué)門的版圖設(shè)計，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工藝中制造的線路芯片。

整個架構(gòu)由七個六邊形單元組成網(wǎng)格圖案，每個單元的邊上包含一個光學(xué)門，整個線路共有42個光學(xué)門。每個光學(xué)門作為基本構(gòu)建模塊，實現(xiàn)為平衡馬赫-曾德爾干涉儀，由兩個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，實現(xiàn)了7.8毫瓦每π弧度相移的平均調(diào)諧效率。通過控制輸送到這些相移器的電功率，可以獨立調(diào)諧每個門的耦合比和相位響應(yīng)，使線路能夠?qū)崿F(xiàn)多種光學(xué)功能。

03測量系統(tǒng)與控制基礎(chǔ)設(shè)施

測量這個可編程線路的表征系統(tǒng)展示了此類器件所需的精密控制基礎(chǔ)設(shè)施。光開關(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、功率計和光矢量分析儀。84個相移器的驅(qū)動電流來自定制的多通道電流源，整個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，實現(xiàn)線路的自動校準(zhǔn)和配置。

圖2：測量基礎(chǔ)設(shè)施的完整設(shè)置，包括光開關(guān)、溫度控制器上的可編程線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，每個光學(xué)門的初始狀態(tài)略有不同，相移器之間的熱光效率也存在變化。校準(zhǔn)過程在掃描驅(qū)動電流時測量每個門的傳輸曲線，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)置每個門到任何所需的耦合比。校準(zhǔn)程序依次處理所有門，將已校準(zhǔn)的門初始化為交叉狀態(tài)，以最小化后續(xù)測量期間的寄生干擾效應(yīng)。

05光學(xué)門的性能表征

光學(xué)門實現(xiàn)了出色的性能特征，直接轉(zhuǎn)化為更優(yōu)異的線路級指標(biāo)。單個門的消光比在棒態(tài)下超過40 dB，在交叉態(tài)下超過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納米波長范圍內(nèi)保持一致，展示了寬帶工作能力。更重要的是，每個門僅貢獻(xiàn)0.28 dB的插入損耗，同時僅引入5.5皮秒的群延遲，使這成為可編程光子線路最緊湊和低損耗的實現(xiàn)方案之一。

圖3：光學(xué)門的表征結(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性關(guān)系，(c)展示高消光比的傳輸曲線。

06延遲線測量驗證

這些門級性能指標(biāo)通過系統(tǒng)測量配置了不同數(shù)量門的光延遲線來驗證。最長的延遲線穿過所有46個可用的門（邊緣門通過一次，內(nèi)部門通過兩次），創(chuàng)建具有不同累積損耗和群延遲的光路徑。通過測量同一輸入-輸出端口對之間多個延遲線配置的插入損耗和群延遲，線性回歸得出每個門的數(shù)值，同時消除了光纖耦合變化帶來的測量誤差。插入損耗與群延遲之間的線性關(guān)系確認(rèn)了整個網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中光學(xué)門的均勻性。

07環(huán)形諧振器配置

當(dāng)五個門工作在棒態(tài)而一個門提供與總線波導(dǎo)的耦合時，單個六邊形單元自然形成環(huán)形諧振器。這個六門環(huán)形配置實現(xiàn)了0.25納米的自由光譜范圍，對應(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，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Q因子獨立確認(rèn)了0.27 dB的平均門損耗，與延遲線測量一致，驗證了整體線路表征方法的正確性。

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

08光分路器的實現(xiàn)

這個線路的可編程特性使得僅通過軟件配置就能實現(xiàn)多樣的光學(xué)功能。八路光分路器展示了路由靈活性，使用三級二路分路器將輸入功率均勻分配到八個輸出端口。每級提供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。測量到每個輸出端口的傳輸顯示約10 dB的總損耗，與三個分光級的9 dB加上與參考波導(dǎo)相比的光路長度約1 dB一致。

09波長復(fù)用器應(yīng)用

波分復(fù)用應(yīng)用受益于級聯(lián)配置多個上下路環(huán)形諧振器的能力。三通道波長復(fù)用器使用三個調(diào)諧到不同諧振波長的串聯(lián)上下路環(huán)。每個環(huán)的耦合比獨立優(yōu)化，總線波導(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最小化插入損耗。環(huán)內(nèi)門的公共相位允許精確調(diào)諧諧振波長到所需的通道間隔。這種配置成功展示了從直通端口下路三個波長通道，同時從獨立輸入端口添加三個通道。

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)臨界耦合時的諧振峰，30皮米線寬對應(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，展示了這個可編程平臺的多功能性和性能優(yōu)勢。濾波器可以分為有限脈沖響應(yīng)（FIR）設(shè)計和無限脈沖響應(yīng)（IIR）設(shè)計，類似于數(shù)字信號處理的概念。FIR濾波器使用級聯(lián)馬赫-曾德爾干涉儀的前饋路徑來創(chuàng)建具有固有穩(wěn)定性的線性相位響應(yīng)。在這個芯片上配置的二級MZI晶格濾波器實現(xiàn)了具有平頂通帶特性的三階交織器。第一級在兩臂之間引入兩門延遲，而第二級使用四門延遲，耦合比精確調(diào)諧為0.5、0.29和0.08以實現(xiàn)所需的平頂響應(yīng)。所得濾波器在兩個輸出端口之間表現(xiàn)出平衡傳輸，插入損耗約為3 dB，阻帶消光超過20 dB。

圖6：八路光分路器的實現(xiàn)，包括(a)三級分光樹示意圖，(b)在可編程線路上的配置，(c)測量到所有八個輸出端口的傳輸光譜。

11無限脈沖響應(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現(xiàn)更陡的滾降，代價是非線性相位響應(yīng)和存在增益時的潛在不穩(wěn)定性。耦合雙環(huán)濾波器體現(xiàn)了這種方法，兩個并聯(lián)的環(huán)形諧振器提供多個反饋路徑。通過調(diào)整三個耦合比和環(huán)之間的相對相位，可以動態(tài)調(diào)諧通帶帶寬和中心波長。實驗演示顯示可調(diào)帶寬范圍從0.1 FSR（3 GHz）到0.3 FSR（9 GHz）。較窄的帶寬實現(xiàn)超過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，說明了IIR濾波器綜合中固有的設(shè)計權(quán)衡。

圖7：三通道波長復(fù)用器，包括(a)波長λ?、λ?、λ?處的級聯(lián)上下路環(huán)示意圖，(b)線路配置，(c)展示三個下路和三個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，由通過環(huán)形腔的一次完整往返的光路長度決定。雖然單個六邊形單元的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告的最大值，但某些應(yīng)用需要更大的光譜范圍。兩種高級配置可以通過巧妙的架構(gòu)方法將有效自由光譜范圍擴(kuò)展到超過這個單元限制。

游標(biāo)環(huán)配置利用兩個具有不同自由光譜范圍的耦合環(huán)來為復(fù)合濾波器創(chuàng)建更大的有效自由光譜范圍。一個環(huán)使用六個門，自由光譜范圍FSR?等于0.25納米，而第二個環(huán)采用十個門，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，對應(yīng)93 GHz?？偩€波導(dǎo)與環(huán)之間的耦合比0.29、0.08和0.29經(jīng)過優(yōu)化以平衡插入損耗和消光比。測量的傳輸光譜確認(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兩個環(huán)的累積往返損耗限制。

圖8：MZI晶格濾波器，包括(a)二級級聯(lián)MZI示意圖，(b)具有不同延遲長度的線路配置，(c)測量的平頂交織器響應(yīng)，顯示到兩個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，其中輸入信號分成兩路，在不同位置耦合到同一環(huán)形腔中。這兩個注入點之間的光路長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延遲時，濾波器實現(xiàn)與游標(biāo)配置相同的0.75納米自由光譜范圍，再次對應(yīng)93 GHz。這種架構(gòu)需要波導(dǎo)交叉來正確路由輸出端口，但線路的可編程特性允許簡單地通過配置一個光學(xué)門來實現(xiàn)交叉，因為可編程光電子集成芯片利用了光學(xué)門可以同時用于兩個獨立光路徑的事實。當(dāng)耦合比設(shè)置為0.3、0.5和0.7時，測量的濾波器響應(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，揭示了通過優(yōu)化門設(shè)計實現(xiàn)的性能優(yōu)勢。在六邊形網(wǎng)格架構(gòu)中，這個實現(xiàn)方案實現(xiàn)了最短的每門時間延遲5.5皮秒，相比之前六邊形設(shè)計的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0.28 dB的插入損耗也代表了報告的最低值，改進(jìn)了競爭設(shè)計的0.48 dB損耗。雖然非均勻網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可以通過擴(kuò)展游標(biāo)配置實現(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，這對于許多應(yīng)用必不可少，包括可調(diào)延遲線和光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需的前饋矩陣操作。

15未來改進(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，但仍有改進(jìn)空間。未來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)量級更低的功耗，潛在地將待機(jī)功率降低到飛瓦級。物理門長度可以通過用23微米的定向耦合器替換53微米的多模干涉儀來進(jìn)一步優(yōu)化，將總門長度減少60微米，相應(yīng)地降低群延遲以實現(xiàn)更大的自由光譜范圍。

圖10：游標(biāo)環(huán)濾波器，包括(a)兩個具有不同自由光譜范圍的耦合環(huán)，(b)具有六門和十門環(huán)的線路配置，(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

這個可編程光子線路展示了精心優(yōu)化的構(gòu)建模塊能夠?qū)崿F(xiàn)適合實際應(yīng)用的實用方案。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)計的線路中可實現(xiàn)。通過軟件配置在單個芯片上實現(xiàn)包括光分路器、波長復(fù)用器、FIR濾波器和IIR濾波器在內(nèi)的多樣功能的能力，驗證了可編程光子技術(shù)作為加速光子線路開發(fā)的可行平臺。游標(biāo)環(huán)和雙注入環(huán)等高級配置將有用的頻譜范圍擴(kuò)展到接近100 GHz，使這些線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)利用門進(jìn)行波導(dǎo)交叉功能的線路配置，(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)揮越來越重要的作用，涵蓋從電信和傳感到光量子技術(shù)和光計算的廣泛領(lǐng)域。