摘要

  可編程光電子電路(Programmable Integrated Photonic Circuits) 代表了一種新興技術,可以在芯片上實現可重構的光電子系統。由于其與CMOS工藝的兼容性,硅基光電子技術已經成為實現可編程光電子的領先平臺。本文對可編程光電子進行了介紹,并討論了使用硅基光電子技術實現可編程光電子電路的原理、技術要求、應用和設計方法。也介紹了如何使用PIC Studio 的智能化光電芯片版圖工具PhotoCAD實現可編程光電子版圖。

  介紹

  隨著光電集成電路(PIC)的發展，硅基光電子領域已經取得了巨大的進步。PIC在芯片上實現了光電器件和系統，具有小型化、穩定性、可擴展性和低成本等優勢。由于硅基光電子技術與CMOS制造工藝具有兼容性，可實現大批量生產，因此成為PIC發展主要推動力。但是到目前為止，大多數硅基光電子PIC都是針對特定應用設計，執行固定功能。

  可編程光電子電路代表新的范式，其中PIC的功能可以通過軟件以電子方式進行重新配置。這個概念的靈感來自于電子電路中的現場可編程門陣列(FPGA)，可以被重新配置以實現不同的數字邏輯功能。可編程光電子電路為光電子系統帶來了類似的靈活性，以及快速原型設計和更低的開發成本。本教程概述了可編程光電子電路以及它在硅基光電子集成電路中的實際應用。

  工作原理

  可編程光電子電路的關鍵思想是使用由可調耦合器和相移器組成的可重構光電子網格來傳遞組件之間路由信號。如圖1所示，可調耦合器和相移器形成2x2光學門，可以在波導之間任意混合、傳遞路由信號。可重構網格取代了固定的波導連接，提供對連接性的軟件控制。

  圖1：具有可重構波導網格的可編程光電子電路

  實現光子網格有不同的拓撲結構。正向網格只允許光以一個方向從輸入傳播到輸出來實現線性變換。循環網格則可實現雙向傳播，支持諸如延遲線和諧振器等功能。網格架構可以根據需要進行優化。調制器和檢波器等其他組件連接到網格可以處理光。

  技術要求

  實現可編程光電子電路的幾項關鍵技術:

  - 硅基光電子技術提供了能夠實現高集成度組件(如可調耦合器和相移器)的高折射率對比波導平臺。其與CMOS的兼容性也可以實現大規模制造。

  - 使用MEMS、熱光、電光和非線性效應等機制的可調耦合器提供波導之間功率分配的可重構性。

  - 使用MEMS、熱光、電光、壓電和應變調節等技術的可調相移器促進光子網格中動態相位控制。

  - 帶有數字和模擬電路的控制電子電路與光電芯片接口連接以配置可調元件。此外，還采用了反饋監控技術。

  - 封裝和集成技術連接光、電子元件，使輸入/輸出信號進出芯片。混合集成和單片集成是相當活躍的研究領域。

  - 編程算法和例程配置可調光子網格，以實現從簡單路由到復雜濾波器的功能。

  應用

  可編程光電子電路的應用領域:

  - 光通信：可編程發射器、接收器、濾波器、路由器、開關等。

  - 微波光子學：可重構的光束成形、濾波、均衡和分配。

  - 傳感：可自適應的光譜儀、干涉儀、激光雷達等。

  - 光學神經網絡：線性變換和矩陣向量乘法。

  - 量子信息：線性光學變換和電路。

  使用PhotoCAD設計PIC布局

  PhotoCAD是PIC Studio工具鏈中的PIC設計和版圖工具。利用Python3框架和波導、耦合器、相移器等常見器件的參數化布局生成器實現了快速的電路原型設計。PhotoCAD可以有效地實現可編程光電子電路版圖設計。

  例如，圖2所示的三角MZI網格可以通過以下步驟輕松實現：

  - 定義具有布局的MZI PCell類。

  - 實例化MZI組件,并使用Linked類進行波導路由連接它們。

  - 添加相移器控制的電子端口。

  - 融入其他器件如探測器。

  - 將電路布局導出為GDSII格式。

  PhotoCAD的高級電路描述語言界面，可通過修改連接輕松嘗試不同拓撲結構。緊湊的彎頭樣式減小了網格占用空間。PhotoCAD能快速實現硅光子可編程PIC原型。

  圖2: 使用PhotoCAD生成的三角MZI網格布局

  結論

  使用硅基光電子技術實現的可編程光電子電路，可重構的光信號處理提供了一個靈活的平臺。通過軟件控制可對功能進行重新編程，該能力消除了更改設計所需的制造步驟。與專用的光電芯片相比，可編程光電子電路使沒有光電子專業知識的用戶也能更容易獲得光學知識。PIC Studio的開源PhotoCAD版圖工具，可實現在硅芯片上快速生成可編程光電子電路系統布局。可編程光電子電路的進一步的技術開發和的應用將帶來一個蓬勃發展的光電子解決方案生態系統。