基于六边形波导网格架构实现可编程光子技术

来源：逍遥设计自动化

1可编程光子技术的发展背景

硅基光电子技术的发展催生了可编程光电子集成芯片的诞生，这类芯片可以通过软件重新配置来实现多种应用功能，而无需重新流片制造。比利时根特大学和IMEC的研究人员展示了一种六边形波导网格架构，在环形谐振器配置中实现了超过30 GHz的自由光谱范围。这项工作解决了可编程光子技术在实际应用中面临的核心挑战之一。

可编程光电子集成芯片的概念借鉴了数字电子学中现场可编程门阵列（FPGA）的思想。正如FPGA允许工程师快速原型化和测试数字线路而无需为每个设计制造定制芯片一样，可编程光电子集成芯片使研究人员能够通过软件控制在单个芯片上实现各种光学功能。这种能力显着加速了光子应用的研发周期，传统方法每次新设计迭代都需要数月的制造流程[1]。

02六边形网格架构设计

图1：可编程光子线路架构的全貌，包括(a)七单元六边形网格结构，(b)单个光学门的版图设计，显示MMI耦合器和相移器，(c)完整光电链路版图，(d)封装器件照片，展示光纤阵列和印刷电路板，(e)在IMEC的iSiPP200工艺中制造的线路芯片。

整个架构由七个六边形单元组成网格图案，每个单元的边上包含一个光学门，整个线路共有42个光学门。每个光学门作为基本构建模块，实现为平衡马赫-曾德尔干涉仪，由两个多模干涉仪耦合器和两臂上的热光相移器构成。相移器采用局部悬空结构的掺杂硅材料，提高热效率，实现了7.8毫瓦每π弧度相移的平均调谐效率。通过控制输送到这些相移器的电功率，可以独立调谐每个门的耦合比和相位响应，使线路能够实现多种光学功能。

03测量系统与控制基础设施

测量这个可编程线路的表征系统展示了此类器件所需的精密控制基础设施。光开关将耦合到芯片的光纤阵列与各种仪器连接，包括可调谐激光器、功率计和光矢量分析仪。84个相移器的驱动电流来自定制的多通道电流源，整个芯片放置在温度控制器上以保持稳定的工作条件。Python软件框架协调所有这些仪器，实现线路的自动校准和配置。

图2：测量基础设施的完整设置，包括光开关、温度控制器上的可编程线路以及用于相移器控制的多通道直流源。

04校准方法与流程

校准是有效操作可编程光电子集成芯片的关键步骤。由于制造差异，每个光学门的初始状态略有不同，相移器之间的热光效率也存在变化。校准过程在扫描驱动电流时测量每个门的传输曲线，然后提取电流-相位关系，该关系捕获了初始相位差和调谐效率信息。这些信息使控制软件能够精确设置每个门到任何所需的耦合比。校准程序依次处理所有门，将已校准的门初始化为交叉状态，以最小化后续测量期间的寄生干扰效应。

05光学门的性能表征

光学门实现了出色的性能特征，直接转化为更优异的线路级指标。单个门的消光比在棒态下超过40 dB，在交叉态下超过52 dB，表明多模干涉仪保持接近完美的五五分光比。这些高消光比在横跨C波段的100纳米波长范围内保持一致，展示了宽带工作能力。更重要的是，每个门仅贡献0.28 dB的插入损耗，同时仅引入5.5皮秒的群延迟，使这成为可编程光子线路最紧凑和低损耗的实现方案之一。

图3：光学门的表征结果，包括(a)相移器的电流-电压关系，(b)电功率与相移之间的线性关系，(c)展示高消光比的传输曲线。

06延迟线测量验证

这些门级性能指标通过系统测量配置了不同数量门的光延迟线来验证。最长的延迟线穿过所有46个可用的门（边缘门通过一次，内部门通过两次），创建具有不同累积损耗和群延迟的光路径。通过测量同一输入-输出端口对之间多个延迟线配置的插入损耗和群延迟，线性回归得出每个门的数值，同时消除了光纤耦合变化带来的测量误差。插入损耗与群延迟之间的线性关系确认了整个网格结构中光学门的均匀性。

07环形谐振器配置

当五个门工作在棒态而一个门提供与总线波导的耦合时，单个六边形单元自然形成环形谐振器。这个六门环形配置实现了0.25纳米的自由光谱范围，对应于频率域的31 GHz。在临界耦合条件下，即耦合强度与往返损耗匹配时，谐振特征的半高全宽为30皮米，产生约52000的品质因子。这个Q因子独立确认了0.27 dB的平均门损耗，与延迟线测量一致，验证了整体线路表征方法的正确性。

图4：光学门性能指标，包括(a)1500至1600纳米波长范围内的消光比，(b)各种延迟线配置的插入损耗与群延迟之间的线性关系，(c)具有46个门的最长延迟线配置。

08光分路器的实现

这个线路的可编程特性使得仅通过软件配置就能实现多样的光学功能。八路光分路器展示了路由灵活性，使用三级二路分路器将输入功率均匀分配到八个输出端口。每级提供3 dB分光，平衡的光路径确保所有输出端口之间的相位关系均匀。测量到每个输出端口的传输显示约10 dB的总损耗，与三个分光级的9 dB加上与参考波导相比的光路长度约1 dB一致。

09波长复用器应用

波分复用应用受益于级联配置多个上下路环形谐振器的能力。三通道波长复用器使用三个调谐到不同谐振波长的串联上下路环。每个环的耦合比独立优化，总线波导耦合设置为0.44，下路端口耦合调整为0.19，以最大化消光比同时最小化插入损耗。环内门的公共相位允许精确调谐谐振波长到所需的通道间隔。这种配置成功展示了从直通端口下路三个波长通道，同时从独立输入端口添加三个通道。

图5：环形谐振器的配置和性能，包括(a)形成环形腔的六边形单元排列，(b)具有31 GHz自由光谱范围的传输光谱，(c)临界耦合时的谐振峰，30皮米线宽对应52000的Q因子。

10有限脉冲响应滤波器

光学滤波器是特别重要的应用，展示了这个可编程平台的多功能性和性能优势。滤波器可以分为有限脉冲响应（FIR）设计和无限脉冲响应（IIR）设计，类似于数字信号处理的概念。FIR滤波器使用级联马赫-曾德尔干涉仪的前馈路径来创建具有固有稳定性的线性相位响应。在这个芯片上配置的二级MZI晶格滤波器实现了具有平顶通带特性的三阶交织器。第一级在两臂之间引入两门延迟，而第二级使用四门延迟，耦合比精确调谐为0.5、0.29和0.08以实现所需的平顶响应。所得滤波器在两个输出端口之间表现出平衡传输，插入损耗约为3 dB，阻带消光超过20 dB。

图6：八路光分路器的实现，包括(a)三级分光树示意图，(b)在可编程线路上的配置，(c)测量到所有八个输出端口的传输光谱。

11无限脉冲响应滤波器

IIR滤波器包含反馈路径，能够在通带和阻带之间实现更陡的滚降，代价是非线性相位响应和存在增益时的潜在不稳定性。耦合双环滤波器体现了这种方法，两个并联的环形谐振器提供多个反馈路径。通过调整三个耦合比和环之间的相对相位，可以动态调谐通带带宽和中心波长。实验演示显示可调带宽范围从0.1 FSR（3 GHz）到0.3 FSR（9 GHz）。较窄的带宽实现超过20 dB的更高阻带消光比，但插入损耗增加到约9 dB，而较宽的带宽以消光比换取较低的插入损耗，说明了IIR滤波器综合中固有的设计权衡。

图7：三通道波长复用器，包括(a)波长λ₁、λ₂、λ₃处的级联上下路环示意图，(b)线路配置，(c)展示三个下路和三个上路通道的传输光谱。

12游标环配置扩展自由光谱范围

自由光谱范围限制了基于环的滤波器配置的可用带宽，由通过环形腔的一次完整往返的光路长度决定。虽然单个六边形单元的31 GHz自由光谱范围已经是均匀可编程光电子集成芯片报告的最大值，但某些应用需要更大的光谱范围。两种高级配置可以通过巧妙的架构方法将有效自由光谱范围扩展到超过这个单元限制。

游标环配置利用两个具有不同自由光谱范围的耦合环来为复合滤波器创建更大的有效自由光谱范围。一个环使用六个门，自由光谱范围FSR₁等于0.25纳米，而第二个环采用十个门，产生FSR₂等于FSR₁的五分之三。游标效应使组合系统的自由光谱范围等于FSR₁的三倍，即0.75纳米，对应93 GHz。总线波导与环之间的耦合比0.29、0.08和0.29经过优化以平衡插入损耗和消光比。测量的传输光谱确认了三倍的自由光谱范围，尽管约7 dB的阻带消光仍受通过两个环的累积往返损耗限制。

图8：MZI晶格滤波器，包括(a)二级级联MZI示意图，(b)具有不同延迟长度的线路配置，(c)测量的平顶交织器响应，显示到两个输出端口的平衡传输。

13双注入环配置

扩展自由光谱范围的另一种方法使用双注入环配置，其中输入信号分成两路，在不同位置耦合到同一环形腔中。这两个注入点之间的光路长度差决定了组合系统的有效自由光谱范围。注入路径之间存在两门延迟时，滤波器实现与游标配置相同的0.75纳米自由光谱范围，再次对应93 GHz。这种架构需要波导交叉来正确路由输出端口，但线路的可编程特性允许简单地通过配置一个光学门来实现交叉，因为可编程光电子集成芯片利用了光学门可以同时用于两个独立光路径的事实。当耦合比设置为0.3、0.5和0.7时，测量的滤波器响应展示了具有16 dB消光比的带通特性。

图9：耦合双环滤波器，包括(a)并联环示意图，(b)线路配置，(c)可调带通响应，可调带宽从0.1 FSR（3 GHz）到0.3 FSR（9 GHz）。

14与其他可编程光电子集成芯片的性能比较

将这项工作与最近发表的可编程光电子集成芯片进行比较，揭示了通过优化门设计实现的性能优势。在六边形网格架构中，这个实现方案实现了最短的每门时间延迟5.5皮秒，相比之前六边形设计的11.25皮秒，直接转化为最高的单元自由光谱范围31 GHz，而早期工作为15 GHz。每门0.28 dB的插入损耗也代表了报告的最低值，改进了竞争设计的0.48 dB损耗。虽然非均匀网格结构可以通过扩展游标配置实现更大的最大自由光谱范围，但牺牲了路径平衡和路由灵活性，这对于许多应用必不可少，包括可调延迟线和光神经网络所需的前馈矩阵操作。

15未来改进方向

7.8毫瓦每π弧度的热效率虽然优于需要25毫瓦每π弧度的电阻加热器设计，但仍有改进空间。未来迭代可以采用其他相移技术，如微机电系统（MEMS）或液晶器件，提供数量级更低的功耗，潜在地将待机功率降低到飞瓦级。物理门长度可以通过用23微米的定向耦合器替换53微米的多模干涉仪来进一步优化，将总门长度减少60微米，相应地降低群延迟以实现更大的自由光谱范围。

图10：游标环滤波器，包括(a)两个具有不同自由光谱范围的耦合环，(b)具有六门和十门环的线路配置，(c)展示93 GHz（0.75纳米）三倍自由光谱范围的传输光谱。

16技术成果与应用前景

这个可编程光子线路展示了精心优化的构建模块能够实现适合实际应用的实用方案。低插入损耗、短光延迟和高消光比的组合允许复杂的滤波器配置，性能指标以前仅在定制设计的线路中可实现。通过软件配置在单个芯片上实现包括光分路器、波长复用器、FIR滤波器和IIR滤波器在内的多样功能的能力，验证了可编程光子技术作为加速光子线路开发的可行平台。游标环和双注入环等高级配置将有用的频谱范围扩展到接近100 GHz，使这些线路适用于电信和其他具有苛刻频谱要求的应用。

图11：双注入环滤波器，包括(a)具有延迟Δℓ和相位φ的分路输入路径，(b)利用门进行波导交叉功能的线路配置，(c)展示具有93 GHz自由光谱范围的带通响应的传输光谱。

成熟的CMOS制造技术、精密的控制电子设备和先进的校准算法的融合，使可编程光子技术从研究兴趣转变为复杂光学系统快速原型化和部署的实用工具。随着硅基光电子技术社群继续改进这些架构并探索新应用，可编程光电子集成芯片将在加速光子应用创新中发挥越来越重要的作用，涵盖从电信和传感到光量子技术和光计算的广泛领域。