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Nature | 综述:可编程光子集成电路

光子集成电路(Photonic integrated circuits,PICs)在近年来已经逐渐发展为一项成熟且强大的技术,PICs的概念与电子集成电路的概念类似,只不过电子集成电路集成的是晶体管、电容器、电阻器等电子器件,而PICs集成的是各种不同的光学器件或光电器件,比如激光器、电光调制器、光电探测器、光衰减器、光复用/解复用器以及光放大器等。

PICs在信息传输和处理领域有着不可比拟的优势,因此被广泛应用于光纤通信、光谱传感器及量子信息处理等应用中。但目前,绝大部分的PICs都是针对某一特定应用而对其进行设计并制造的,也被称为定制化光子集成电路,这就导致该PICs的光路及功能是固定不变的,无法适用于多种应用领域及应用场景,也在一定程度上增加了开发周期和开发成本。

为了解决这一问题,科研人员基于电子集成电路的发展经验提出了可编程光子集成电路的概念,可编程PICs可以基于目标功能需求使用软件进行编程,并通过电控和温控等方式对片上光波导及其他功能器件进行重新配置,从而实现对光信号的再次调控。这种可编程性使得PICs具备了功能重置的能力,降低了生产成本及技术障碍,并提供了一种可升级性的途径。

近日,比利时根特大学的Wim Bogaerts等人在Nature上发表了综述,题为“Programmable photonic circuits”,文中解释了可编程PICs中波导网格的基本概念和基本原理,分析了可编程PICs的相关技术支持并总结了可编程PICs的应用及发展前景。

一、光波导网络架构及相关算法

在可编程PICs中,主要依靠由2×2的耦合器模块或“模拟门”(相当于片上自由空间分束器)组成的光波导网络来控制光信号的传输。如图1a、b所示,马赫曾德尔干涉仪(MZI)便经常被用来实现2×2的耦合器模块,是光波导网络架构中的基本构建模块,它通过将两个光学移相器放置在MZI的不同位置来实现功率配比和相对相位延迟(图1 c、d),另外还可以在MZI中放置一个可控耦合器来实现对光路的方向控制(图1 e)。

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图1 通用2×2耦合器模块

图源:Nature 586, 207–216 (2020). Fig 1

基于2×2耦合器模块以及波导模块,便可完成光波导网络的设计,目前光波导网络主要分为两大类:一种是单向网络,即光只能由in端传输至out端;另一种是循环网络,即光可以在网络中循环传输,甚至可以重新传输回in端。

(1)单向网络

在单向网络中,光在一个方向上进行传输,在每个阶段都可以使用2×2耦合器对其进行控制,这种架构可以通过编程设计进行简单的渐进设计,并可以针对某些简单情况和问题进行重新配置。

如图2所示,为具有5个输入端的三角形网络示例,该网络结构基本可以实现输入和输出之间的任何线性变换矩阵,例如可以通过调整MZI11、MZI12、MZI13和MZI14使得探测器D11~D14的功率为零,从而将来自1~5的所有输入光全部组合到Output1端口输出。该案例仅为简单的原理说明,在实际应用中可以通过配置算法使输入波导的光振幅和相位任意叠加,获得更为复杂的目标输出结果,另外除了三角形网络外,“二叉树”结构以及矩形结构等均能实现该要求。

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图2 三角形网络示意图

图源:Nature 586, 207–216 (2020). Fig2(a)

(2)循环网络

循环网络是由多个2×2耦合器按照一定规律相互连接组成的规则二维环路,该环路的所有波导端口都可以由一个完整的散射矩阵进行调控,从而使光在循环网络中具有沿任意方向传输的能力。

循环网络的环路可以通过不同的结构进行连接,通常由正方形、六边形和三角形等,其中六边形网络结构具备超强的集成能力和重新配置能力,其所有端口都可互换的作为输入和输出端口,既可以将其编程为简单的单向网络,也可以将其编程为有限和无限脉冲响应的波长滤波器。

此外,网络中单元的数量越多,可编程的功能也就越多,但制造难度和成本也会越高;单元的尺寸越大,调控的方式就越灵活,但光学损耗又会增高,因此在实际应用中,需要根据实际的需要来对单元的数量、类型和尺寸以及工艺难度、成本进行评估优化,做出最恰当的选择。

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图3 可编程PICs的功能层示意图

图源:Nature 586, 207–216 (2020). Fig 4

如图3所示,单向网络和循环网络都可作为通用可编程PICs的核心,但与电子可编程门阵列(FPGA)类似,除了核心光波导网络之外,可编程PICs还需要一组输入/输出光信号端口以及相关高性能模块,如光源、高速调制器、检测器、光放大器、延迟线和滤波器等,只有光波导网络与高性能模块相互配合才能够通过编程实现目标功能。

二、可编程PICs的相关技术

与可编程电子集成电路类似,为了使大型的可编程PLCs能够正常工作,还需要制造工艺、可调耦合器、移相器、监视器、配置软件和封装等一系列相关技术的支持。

(1)制造工艺

可编程PICs技术的核心是光子芯片,它可以在多种技术平台上进行制造,但为了搭载更多的单元结构,需要将其进行紧密排列,因此需要在具有高折射率对比度的平台上进行加工制造,例如硅光子器件平台、氮化硅光子器件平台和磷化铟PICs平台,并且这些技术平台与电子制造工艺平台类似,更适合晶片级的大规模制造。

目前,大多数PICs技术仅支持单层(2D)架构,将光波导网络限制在单个平面内,但多层三维(3D)架构可以进一步增加其灵活性、集成性和功能性,且被证明具有超低的损耗和串扰,有望成为下一步PICs的重点研究方向。

(2)可调耦合器和移相器

如图1所示,在可编程PICs中的关键模块为可调谐耦合器和移相器,除了低插入损耗和低功耗的基本要求外,通常还需要具有较短的光程,以合成大型的自由频谱区式(FSR)滤波器。

在大多数可调耦合器和移相器中都使用电驱动加热器来实现热光调控,虽然这种调控方式简单且便于加工制备,但其功耗较高、响应时间较长且容易出现热串扰问题。

为了解决这一问题,大量科研人员也在积极寻找新材料或新方法以完成对调控方式的改进和替代,比如高热光系数材料、压电驱动器、液晶、钙钛矿以及微机电系统(MEMS)。

(3)实时监测和回路控制

在一个完整的光波导网络中存在着数十万的光传输路径,因此只有确定光在网络中的位置,才能有效控制网络中的可调谐元件,最为直接的方法就是在每个可调谐元件内部或后面嵌入光电探测器,通过测量波导内的吸收来跟踪光路,这种方法虽为简单直接,但需要光电探测器具有极低的插损和极高的透过率。

通过这样一个实时监测信号,就可以利用自校准算法将部分光波导网络设置为自配置控制环路,例如可以将2×2耦合器设置在特定工作点或用来稳定滤波器的波长,这种环路不需要集成的控制系统,仅通过模拟电子、数字电子、配置软件和实时监测系统便可实现。

(4)电子电路、连接器、射频元件和封装

控制数以千计的可调谐元件和实时监测需要大量的电子电路(包括模拟电路和数字电路)支撑,其中可调谐元件需要足够高精度的高分辨率数模转换器;实时监测需要高精度的魔术转换器和可编程控制逻辑的驱动器电子设备,例如微控制器、FPGA和数字信号处理器(DSP)等。

将光学部分与电学部分共同集成到同一块芯片上是光电集成芯片最为理想的效果,但目前这种单片集成受波导损耗、晶体管节点等因素的限制,使其很难集成在较大的可编程PICs上,因此将电学部分和光学部分单独在芯片上制造然后混合集成的方法仍被广泛采用,这就需要在电子芯片与光子芯片之间通过物理接口进行连接,目前主要包括倒装芯片(如图3)、嵌入器和3D堆叠的连接方法。

光波导网络可以用于高速通信的原因就是它可以支持非常大的信号带宽,要将高速射频信号(数字信号或模拟信号)编码到光载体上,就需要使用带宽超过50GHz的高速电光调制器对光信号完成调制;而要将经光学芯片处理后的光信号转换为射频信号,就需要集成光电探测器来实现,两者结合便可实现射频微波信号的输入及输出端口。此外,在大带宽光信号处理过程中还要求滤波器具有足够大的FSR,以保证工作波段可以涵盖整个带宽,这就要求波导网络具有较短的单元光波导长度(例如,对于50GHz的FSR,要求六边形网络中的单元光波导长度为1mm)。

一个完整的可编程PICs除了需要特殊的基板、连接器和波导外,还需要数千条电气控制线和众多光纤组成,所以封装也是PICs所需技术的一个重要部分。

(5)放大器和光源

相比于传统的定制化光子集成电路,可编程PICs具有更高的光学损耗,因此无论在波导网络边缘还是在结构内部,都需要片上放大器对其进行补偿:其中一种方法可以利用外延生长的方法将放大器直接键合在硅芯片上;另一种方法可以利用微纳转移印刷等技术将放大器与波导腔结合,构成可编程激光器,从而可直接实现非线性的全光信号处理。

(6)编程算法

为了控制数千个驱动器以实现光波导网络的可编程功能,需要为其搭配合适的编程算法。对于单向网络,可以针对其不同的线性变换或自配置分层网络进行渐进式配置;而循环网络则需要新的编程技术,这其中主要包括两大类:第一类则是“Black Box”优化算法(如机器学习),该方法不一定需要校准可在硬件上直接进行相关操作,另一类为合成算法(synthesis techniques),该方法需要首先推导出所需的网络结构,然后再用算法对驱动器进行配置,且该方法需要定期进行校准。

随着可编程PLCs的发展,相关研究人员还可以基于相关的硬件基础设施在编程算法层面对其进行开发,力求可以像电子FPGA的VHDL语言一样,使可编程PLCs也拥有自己的高级语言。

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图源:中科院长春光机所,Light学术出版中心,新媒体工作组

三、可编程PLCs的应用

可编程PLCs的优势在于通信、传感和宽带信号处理,因此可以在这几方面对其应用进行扩展。

(1)线性向量矩阵乘积

可编程PICs的输出光信号使输入端口信号的线性组合,这种线性变换在数学上被称为线性向量矩阵乘积,这种矩阵运算可以用于信号处理和散列运算中,还可以应用于量子信息处理和人工神经网络等新型领域。

在光通信的交换网络中,还可以将PICs用于光纤上传输不同模式的解/复用器和非/扰码器,也可以成对用于寻找最佳正交通信信道。

(2)微波光子学

在微波光子学领域,可以利用光子集成电路完成高频电信号的滤波、波形生成和频率测量等功能,但目前大多都是定制化的光子集成电路。

而在可调制PICs中,以上功能均可以完美实现,比如正方形波导网络可以用于Hilbert变换器、带通滤波器、时间微分器、频率转换器和可编程延时线等功能,且可以降低功耗、体积及重量,对下一代5G小型化无线系统和航空航天小型化射频系统的发展至关重要。

(3)光学波束成形

激光探测和测距(LiDAR)技术有力地推动了光学波束成形的发展,硅基光相控阵便是其中一种光束成形的方法,该方法通过控制每个天线中的振幅和相位,从而在远场构建出目标光束。可编程PICs中大量的可调谐元件正好能满足该方法的要求,同时也可以反向使用光束成形,将已失真的入射场耦合到单个波导中。

(4)传感应用

光可以通过振幅、相位或频率响应的变化来感知各种各样的现象,以实现光传感的功能,PICs已经在片上光谱仪、生物传感器、光学相干层析成像和调频连续波激光雷达等领域提供了一个有效的传感器平台,其中许多功能都能在通用的可编程PICs上实现,但仍有一些需要专门几何形状、化学特性或其他功能的传感器需要定制化PICs来实现。

四、可编程PICs的发展前景

几十年前,可编程电子集成电路经历了与微处理器、FPGA和DSP类似的演变,不再需要设计定制的芯片来实现特有的功能,取而代之的是,围绕着可编程电子集成电路形成了一个拥有低成本、低误差容限的产品生态系统。

如同电子领域一样,如果能对分立光学、定制化PICs和可编程PICs提供各自的一套解决方案,那么也可以同时建立起一个光子生态系统。另外虽然光子集成电路与电子集成电路有所类似且功能互补,但目前在光子集成电路的设计复杂性方面及算法编程方面仍有巨大的探索空间。

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