可編程光電子集成線路中的路由的Mesh架構(gòu)及其性能

逍遙設(shè)計自動化

引言
可編程光電子集成線路(PPICs)正在成為一項具有巨大創(chuàng)新潛力的新興技術(shù)，在量子光學(xué)、通信和機(jī)器學(xué)習(xí)等多個領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。這些線路可以被編程執(zhí)行各種功能，無需定制設(shè)計，有望徹底改變我們在芯片上操縱光的方式。本文將探討PPICs的不同架構(gòu)，重點關(guān)注其路由能力以及各種因素對性能的影響。

3 w9 t( I! A; S8 U& S: d2 e2 E+ k

+ B7 Y$ G7 f& Q# pMesh架構(gòu)
: _/ l# I$ S, BPPIC的核心是由波導(dǎo)和可調(diào)諧耦合器組成的mesh結(jié)構(gòu)。這些耦合器可以被編程為不同的狀態(tài)（直通、交叉或耦合），從而靈活控制線路中的光流。這些組件的排列形成了mesh架構(gòu)，對線路的路由能力有顯著影響。

讓我們來檢視四種主要的mesh架構(gòu)：

三角形tile

方形tile

六邊形tile

環(huán)連接直線(RCSL)
, S* l% v* U4 n5 J4 I( ^7 ~[/ol]
: w& \- R% g6 W0 ~$ y3 Y
% g4 B9 V. n( B8 D' Q! g8 o
/ C8 o7 S8 c& G% V& i: w圖1展示了這四種架構(gòu)。
$ {8 w% F5 i' t/ _每種架構(gòu)都有其獨特的特征，影響路由性能：
9 c8 y' _3 }3 Q; y
1. 三角形tile（圖1a）：這種架構(gòu)使用最小的規(guī)則形狀進(jìn)行鋪設(shè)。然而，它傾向于為光信號創(chuàng)建低效的之字形路徑。

. Q% |$ e; V2 j" @2. 方形tile（圖1b）：一種常見且簡單的設(shè)計，但在某些路由情況下可能導(dǎo)致不必要的長路徑。

3. 六邊形tile（圖1c）：這種架構(gòu)在路由方面提供了更多的靈活性，通常被認(rèn)為是最有潛力的設(shè)計。
( c  d6 b, f  o& ?
$ c6 ]# \; G, d- f0 q# k% J4. 環(huán)連接直線（圖1d）：這項研究中引入的一種新型設(shè)計，旨在提供高效的直線路由選項。
& J9 H8 G5 c+ G; f4 f( c2 s2 ]+ O

光電子Mesh中的路由
PPICs中的路由涉及通過mesh將光從源端口引導(dǎo)到目標(biāo)端口。每個可能的連接都可以表示為一個圖，外部端口作為將光耦合進(jìn)出mesh的接口。
9 L: g4 S. q) u' e- b' Q; j( N
" z+ A4 l, o  ^: H
圖2顯示了六邊形波導(dǎo)mesh中可能連接的圖形表示。彩色節(jié)點代表外部端口，而內(nèi)部連接說明了光在mesh中可能采取的路徑。

2 y* Y9 k  s% D2 U/ y2 M) U比較Mesh架構(gòu)
為了評估不同mesh架構(gòu)的性能，我們需要考慮幾個因素：

  D7 Z: i, ]1 x" d1. 最大可路由commodities數(shù)：這個指標(biāo)表示mesh可以支持多少個同時連接。
- a: u! ^- k/ g6 x) t
/ k9 L: I* R# [5 s6 b圖3顯示了不同mesh架構(gòu)的平均最大可路由commodities數(shù)。六邊形tile和RCSL設(shè)計始終優(yōu)于三角形和方形tile。
. s- A, a. |6 U# l+ v0 ^- u0 a3 c0 u
4 @9 s" g% P3 A" o/ x2. 平均路徑長度：這個指標(biāo)通過考慮信號必須通過的耦合器數(shù)量來衡量路由效率。

7 A5 l9 t% R  @圖4顯示了不同架構(gòu)的平均路徑長度。RCSL設(shè)計平均提供更短的路徑，而三角形tile導(dǎo)致顯著更長的路徑。
- B  M0 j& e+ p4 C
3. 路由效率：這可以表示為實際路徑長度與端口之間理想直線距離的比率。
- x7 M3 G# f* A( a" A6 Q& l9 T
圖5說明了不同架構(gòu)的這種效率比率。較低的值表示更高的路由效率。RCSL和六邊形tile的表現(xiàn)通常優(yōu)于方形或三角形tile。

' g# {1 ^8 ^! j+ m特定路由場景中的性能
雖然隨機(jī)路由模式提供了一般性能概覽，但特定路由場景可以突出不同架構(gòu)的優(yōu)缺點。

2 h2 ^( B8 Y- C: W圖6

& v# b7 k- S1 S( R! N6 n圖6顯示了三種預(yù)定義的路由模式：
7 L/ f$ }* h# X5 T% r

類型I：平行的南北和東西連接

類型II：交叉對角線連接

類型III：只有南北連接
* y, @9 `1 N; A  R* h
2 y+ E. h4 O9 W

圖7展示了不同架構(gòu)在這些特定場景中的表現(xiàn)。值得注意的是，RCSL在類型I模式中表現(xiàn)出色，而方形tile在類型III模式中表現(xiàn)出人意料的好。

3 Z9 y6 V) y: }+ q, @損壞對Mesh性能的影響
在實際應(yīng)用中，PPICs可能會受到制造缺陷或運(yùn)行過程中的損壞。了解這些問題如何影響路由能力對設(shè)計穩(wěn)健系統(tǒng)非常重要。

$ c+ m) |" m8 M* L考慮了三種主要的耦合器故障類型：

完全故障（100%衰減）

卡在交叉模式

卡在直通模式
) K: p. V$ A% h( c6 E, |[/ol]
7 L1 `, D* y2 }. W7 V! K: V

0 ~2 t: R- m9 v* }2 k/ d% }圖8說明了這些不同的故障模式與正常功能的耦合器的比較。

這些故障對路由性能的影響差異很大：

$ E- d+ }2 Z4 B: n! ?$ J, y! X$ \
圖9顯示了不同類型和程度的損壞如何影響路由能力。

一些關(guān)鍵觀察：
" W  h9 m  }( V5 m6 _

卡在交叉模式的耦合器（圖14a）在約50%的耦合器受影響之前影響相對較小。

卡在直通模式的耦合器（圖14b）導(dǎo)致性能更快下降。

完全耦合器故障（圖14c）影響最嚴(yán)重，僅15%的故障耦合器就導(dǎo)致50%的路由能力損失。
1 K; L; \3 Z. }% ~+ O

3 m. H* r3 b1 n( A. s6 U- c0 J可靠性設(shè)計
- z- X% P* L4 p0 Q5 p: C4 B了解損壞的影響使設(shè)計者能夠在其PPIC設(shè)計中加入適當(dāng)?shù)娜哂唷＠�如，如果已知制造過程的良率為90%（10%的耦合器不完美），其中一半的不完美導(dǎo)致完全故障，另一半卡在交叉模式，則應(yīng)將mesh大小增加約25%以保持所需的性能水平。


結(jié)論
本文提供了可編程光電子集成線路中路由的概述，重點關(guān)注mesh架構(gòu)對性能的影響。主要要點包括：
# @7 O; v6 J5 r, s' Q1 ^( ]1 |

六邊形tile mesh提供了最佳的整體路由能力，尤其是對于復(fù)雜的路由場景。

新型的環(huán)連接直線（RCSL）架構(gòu)在需要較短路徑長度的場景中顯示出潛力，特別是當(dāng)mesh預(yù)期不會被密集使用時。

不同類型的耦合器故障對mesh性能的影響各不相同，完全故障的影響最為嚴(yán)重。

設(shè)計者可以利用這些信息選擇適當(dāng)?shù)募軜?gòu)，并根據(jù)預(yù)期的制造良率和故障模式加入必要的冗余。
. k( i; s- G4 X3 O3 V
6 S3 N! G8 R7 |( `9 c- m隨著PPICs的不斷發(fā)展，理解路由和mesh設(shè)計的這些基本方面對于為廣泛的應(yīng)用開發(fā)高效可靠的光電子系統(tǒng)將非常重要。


( d$ \; x; {) ~0 p2 D& p參考文獻(xiàn)
[1] F. Vanden Kerchove, D. Colle, W. Tavernier, W. Bogaerts and M. Pickavet, "Routing impact of architecture and damage in programmable photonic meshes," Photonics Research, vol. 12, no. 9, pp. 1999-2011, Sep. 2024.

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