探索硅基可編程光電子電路：PhotoCAD版圖工具的實(shí)際應(yīng)用

  摘要

  可編程光電子電路(Programmable Integrated Photonic Circuits) 代表了一種新興技術(shù),可以在芯片上實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)的光電子系統(tǒng)。由于其與CMOS工藝的兼容性,硅基光電子技術(shù)已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)可編程光電子的領(lǐng)先平臺。本文對可編程光電子進(jìn)行了介紹,并討論了使用硅基光電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)可編程光電子電路的原理、技術(shù)要求、應(yīng)用和設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)可編程光電子版圖。

  介紹

  隨著光電集成電路(PIC)的發(fā)展，硅基光電子領(lǐng)域已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步。PIC在芯片上實(shí)現(xiàn)了光電器件和系統(tǒng)，具有小型化、穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性和低成本等優(yōu)勢。由于硅基光電子技術(shù)與CMOS制造工藝具有兼容性，可實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，因此成為PIC發(fā)展主要推動(dòng)力。但是到目前為止，大多數(shù)硅基光電子PIC都是針對特定應(yīng)用設(shè)計(jì)，執(zhí)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(jìn)行重新配置。這個(gè)概念的靈感來自于電子電路中的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)，可以被重新配置以實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)字邏輯功能。可編程光電子電路為光電子系統(tǒng)帶來了類似的靈活性，以及快速原型設(shè)計(jì)和更低的開發(fā)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(shí)際應(yīng)用。

  工作原理

  可編程光電子電路的關(guān)鍵思想是使用由可調(diào)耦合器和相移器組成的可重構(gòu)光電子網(wǎng)格來傳遞組件之間路由信號。如圖1所示，可調(diào)耦合器和相移器形成2x2光學(xué)門，可以在波導(dǎo)之間任意混合、傳遞路由信號?？芍貥?gòu)網(wǎng)格取代了固定的波導(dǎo)連接，提供對連接性的軟件控制。

  圖1：具有可重構(gòu)波導(dǎo)網(wǎng)格的可編程光電子電路

  實(shí)現(xiàn)光子網(wǎng)格有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。正向網(wǎng)格只允許光以一個(gè)方向從輸入傳播到輸出來實(shí)現(xiàn)線性變換。循環(huán)網(wǎng)格則可實(shí)現(xiàn)雙向傳播，支持諸如延遲線和諧振器等功能。網(wǎng)格架構(gòu)可以根據(jù)需要進(jìn)行優(yōu)化。調(diào)制器和檢波器等其他組件連接到網(wǎng)格可以處理光。

  技術(shù)要求

  實(shí)現(xiàn)可編程光電子電路的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù):

  - 硅基光電子技術(shù)提供了能夠?qū)崿F(xiàn)高集成度組件(如可調(diào)耦合器和相移器)的高折射率對比波導(dǎo)平臺。其與CMOS的兼容性也可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制造。

  - 使用MEMS、熱光、電光和非線性效應(yīng)等機(jī)制的可調(diào)耦合器提供波導(dǎo)之間功率分配的可重構(gòu)性。

  - 使用MEMS、熱光、電光、壓電和應(yīng)變調(diào)節(jié)等技術(shù)的可調(diào)相移器促進(jìn)光子網(wǎng)格中動(dòng)態(tài)相位控制。

  - 帶有數(shù)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(diào)元件。此外，還采用了反饋監(jiān)控技術(shù)。

  - 封裝和集成技術(shù)連接光、電子元件，使輸入/輸出信號進(jìn)出芯片?；旌霞珊蛦纹墒窍喈?dāng)活躍的研究領(lǐng)域。

  - 編程算法和例程配置可調(diào)光子網(wǎng)格，以實(shí)現(xiàn)從簡單路由到復(fù)雜濾波器的功能。

  應(yīng)用

  可編程光電子電路的應(yīng)用領(lǐng)域:

  - 光通信：可編程發(fā)射器、接收器、濾波器、路由器、開關(guān)等。

  - 微波光子學(xué)：可重構(gòu)的光束成形、濾波、均衡和分配。

  - 傳感：可自適應(yīng)的光譜儀、干涉儀、激光雷達(dá)等。

  - 光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：線性變換和矩陣向量乘法。

  - 量子信息：線性光學(xué)變換和電路。

  使用PhotoCAD設(shè)計(jì)PIC布局

  PhotoCAD是PIC Studio工具鏈中的PIC設(shè)計(jì)和版圖工具。利用Python3框架和波導(dǎo)、耦合器、相移器等常見器件的參數(shù)化布局生成器實(shí)現(xiàn)了快速的電路原型設(shè)計(jì)。PhotoCAD可以有效地實(shí)現(xiàn)可編程光電子電路版圖設(shè)計(jì)。

  例如，圖2所示的三角MZI網(wǎng)格可以通過以下步驟輕松實(shí)現(xiàn)：

  - 定義具有布局的MZI PCell類。

  - 實(shí)例化MZI組件,并使用Linked類進(jìn)行波導(dǎo)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(dǎo)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。緊湊的彎頭樣式減小了網(wǎng)格占用空間。PhotoCAD能快速實(shí)現(xiàn)硅光子可編程PIC原型。

  圖2: 使用PhotoCAD生成的三角MZI網(wǎng)格布局

  結(jié)論

  使用硅基光電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可編程光電子電路，可重構(gòu)的光信號處理提供了一個(gè)靈活的平臺。通過軟件控制可對功能進(jìn)行重新編程，該能力消除了更改設(shè)計(jì)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(yè)知識的用戶也能更容易獲得光學(xué)知識。PIC Studio的開源PhotoCAD版圖工具，可實(shí)現(xiàn)在硅芯片上快速生成可編程光電子電路系統(tǒng)布局。可編程光電子電路的進(jìn)一步的技術(shù)開發(fā)和的應(yīng)用將帶來一個(gè)蓬勃發(fā)展的光電子解決方案生態(tài)系統(tǒng)。