可重構(gòu)的特定應(yīng)用光電子集成芯片

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
0 i& x8 W! v& s) E2 P. b光電子集成芯片（PIC）已成為在小型芯片上實(shí)現(xiàn)各種光信號(hào)處理功能的有前途的技術(shù)。早期的許多PIC都有為特定應(yīng)用量身定制的固定設(shè)計(jì)，但開(kāi)發(fā)可動(dòng)態(tài)調(diào)諧或重新編程以支持多種功能的可重構(gòu)PIC正引起越來(lái)越多的關(guān)注。本文概述了可重構(gòu)的特定應(yīng)用PIC的主要發(fā)展，重點(diǎn)介紹架構(gòu)、功能和潛在應(yīng)用。
+ W; T% U9 z, m5 }; q+ q

* t- H" @8 A6 G: {5 G% ?& t0 _0 a6 G可重構(gòu)光學(xué)濾波器
可調(diào)諧光學(xué)濾波器是可重構(gòu)PIC最常見(jiàn)和通用的構(gòu)建模塊之一。允許對(duì)光信號(hào)的頻譜整形和濾波進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。一種廣泛使用的架構(gòu)基于級(jí)聯(lián)環(huán)形諧振器，可以通過(guò)熱或電調(diào)諧來(lái)調(diào)整它們的諧振頻率和耦合強(qiáng)度。

9 }& y* r! {6 l圖1顯示了在InP技術(shù)中實(shí)現(xiàn)的可重構(gòu)光學(xué)濾波器的例子。由多個(gè)級(jí)聯(lián)環(huán)形諧振器組成，具有可調(diào)諧耦合器和相移器。通過(guò)調(diào)整調(diào)諧元件，可以動(dòng)態(tài)重構(gòu)濾波器響應(yīng)以實(shí)現(xiàn)不同的濾波器形狀和帶寬。

  q. ^+ D; R4 g2 ?! C7 x4 _
. p* L+ d& ^9 W; z  ?4 C, Q圖1

8 H+ `2 {" ^3 `) s7 z' l另一種濾波器架構(gòu)是環(huán)輔助馬赫-曾德干涉儀（RAMZI），如圖2所示。將非對(duì)稱馬赫-曾德干涉儀與耦合到每個(gè)臂的環(huán)形諧振器相結(jié)合。RAMZI設(shè)計(jì)通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)諧允許實(shí)現(xiàn)有限脈沖響應(yīng)（FIR）和無(wú)限脈沖響應(yīng)（IIR）濾波器特性。
0 s) f5 }5 x2 {- Q6 }! T
+ {. G: D. I: l6 f. f6 w& H1 |# d0 W* v

+ \, a2 R/ D) X  [圖2

9 N/ a) f( P% }; w1 z2 [6 F射頻相移器和延遲線
用于射頻信號(hào)的可重構(gòu)光學(xué)延遲線和相移器是波束成形和信號(hào)生成等應(yīng)用的關(guān)鍵組件。光學(xué)環(huán)形諧振器可用于實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧真時(shí)延，如圖3所示的級(jí)聯(lián)環(huán)形諧振器結(jié)構(gòu)。通過(guò)熱調(diào)諧環(huán)，可以在寬帶寬上實(shí)現(xiàn)可變延遲。
! }8 {3 [& L+ D, d
( z5 I5 d8 ?, O4 a  o
- d* P- w/ I# s7 x9 V6 ]# }圖3
9 v+ H0 t: w' g' }+ a* V4 u% Z
/ ~* [" r) P9 c$ l8 n- {5 m對(duì)于相移，可以使用如圖4所示的結(jié)構(gòu)。這里，兩個(gè)級(jí)聯(lián)環(huán)形諧振器在與單邊帶調(diào)制一起使用時(shí)實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧射頻相移。通過(guò)調(diào)整環(huán)諧振，可以實(shí)現(xiàn)完整的360°相位調(diào)諧。
  ]6 O- o  O; z


* b; p7 Y  T( G1 r' F圖4

波束形成器
5 J  c) Z2 p6 t& ]$ W% [實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧延遲和相移的能力使得實(shí)現(xiàn)相控陣天線的光學(xué)波束形成網(wǎng)絡(luò)成為可能。圖5顯示了在TriPleX波導(dǎo)技術(shù)中實(shí)現(xiàn)的1x16光學(xué)波束形成器的例子。使用級(jí)聯(lián)環(huán)形諧振器在10.7-12.75 GHz頻帶上提供可調(diào)諧真時(shí)延，實(shí)現(xiàn)寬帶、無(wú)斜視操作。



圖5

任意波形發(fā)生器
可重構(gòu)PIC還能夠生成具有非常高帶寬的任意射頻波形。圖6展示了一個(gè)基于頻譜整形和波長(zhǎng)到時(shí)間映射的硅基光電子任意波形發(fā)生器。它使用級(jí)聯(lián)微環(huán)諧振器從輸入脈沖中選擇性地過(guò)濾頻譜分量，然后使用以SCISSOR結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的可調(diào)諧延遲線。這允許生成高達(dá)50 GHz的自定義射頻波形。
' M$ e% f4 M& r" A: j

& e! X4 e# E% D% O% R! y圖6
7 W" _3 l3 k. F8 R- F
7 ^2 R& M  r/ M3 i) d) W3 ?光電振蕩器
集成光電子技術(shù)使光電振蕩器（OEO）的微型化成為可能，用于生成超純微波信號(hào)。圖7顯示了一個(gè)硅基光電子OEO的例子，它在單個(gè)芯片上集成了高速相位調(diào)制器、熱可調(diào)諧微盤諧振器和光電探測(cè)器。這允許生成可調(diào)諧的3-8 GHz信號(hào)，具有低相位噪聲。


6 i+ o: ^8 @& e% C  s0 a圖7

多功能可重構(gòu)PIC
雖然許多可重構(gòu)PIC是為特定應(yīng)用設(shè)計(jì)的，但一些架構(gòu)可以通過(guò)適當(dāng)?shù)膮��?shù)調(diào)整支持多種功能。圖8顯示了最初設(shè)計(jì)為可調(diào)諧濾波器的基于InP的線路，通過(guò)重新配置其內(nèi)部可調(diào)諧耦合器、半導(dǎo)體光放大器和相移器，還可以實(shí)現(xiàn)微分、積分和希爾伯特變換等數(shù)學(xué)運(yùn)算。

; i3 K; o+ c3 Y0 M7 r4 H5 K  P
1 u' u! c) o& S9 L! m3 z- }圖8
$ O" E7 C. |# ~5 \: d, K
* r" d9 ~% Y/ Y0 \1 a! Y& F另一個(gè)例子是圖9中的Si3N4線路，通過(guò)利用其環(huán)形諧振器的不同子集，可以同時(shí)作為頻率鑒別器和超寬帶脈沖發(fā)生器。


3 w7 K+ [' R- A) y. F" Q圖9
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走向通用可編程PIC
多功能可重構(gòu)PIC的概念可以進(jìn)一步擴(kuò)展到更通用的可編程架構(gòu)。圖10展示了通用微波光子處理器架構(gòu)。包含一個(gè)可重構(gòu)的光學(xué)核心，具有各種光電子構(gòu)建模塊，如MZI、環(huán)和光柵，通過(guò)光學(xué)路由和開(kāi)關(guān)元件互連。這允許動(dòng)態(tài)重構(gòu)以實(shí)現(xiàn)廣泛的信號(hào)處理功能。
! }, m. q6 L* \3 f

6 |+ A4 O/ [# R1 r" i( Z) h
# w9 p- C5 q$ ^& R3 l+ s' ]& n1 b圖10
( Q8 H$ x, u. S0 {0 `# F
結(jié)論
可重構(gòu)應(yīng)用專用PIC代表了向更靈活和多功能集成光電子系統(tǒng)發(fā)展的重要進(jìn)化步驟。通過(guò)增加可調(diào)諧元件如相移器、可變耦合器和可切換路由，這些芯片可以動(dòng)態(tài)調(diào)整其功能以支持多種應(yīng)用。迄今為止展示的關(guān)鍵能力包括可重構(gòu)濾波、真時(shí)延、相移、任意波形生成和頻率合成。
$ a; H2 y, w* D1 n% R
! }' P+ h2 Z, a% B* v; P目前的可重構(gòu)PIC仍然主要針對(duì)特定應(yīng)用領(lǐng)域，但趨勢(shì)正朝著更通用的可編程架構(gòu)發(fā)展，這些架構(gòu)可以通過(guò)軟件控制重新配置以實(shí)現(xiàn)各種功能。實(shí)現(xiàn)可編程光電子技術(shù)的全部潛力還需要PIC技術(shù)、調(diào)諧機(jī)制和控制系統(tǒng)的進(jìn)一步進(jìn)步，可重構(gòu)PIC已經(jīng)為射頻和微波光子應(yīng)用提供了更緊湊、高效和適應(yīng)性強(qiáng)的解決方案。

$ S/ w$ Y4 k& K9 {. |參考文獻(xiàn)
[1] J. Capmany and D. Pérez, "Programmable Integrated Photonics," Oxford University Press, 2020.
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