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摘要 

本文分析了Pérez-López等在论文中提出的用于集成可编程光子芯片的多功能自配置技术 [1]。文中详细解释了操作原理和电子集成电路控制接口，并详细阐述了基于先验知识和基于优化的方法以及实验验证。文中讨论了提高收敛速度、利用机器学习进行成本函数工程、专用光子器件和CMOS集成的前景，全面概述了这项颠覆性技术。

导言 

集成光子技术已经从简单组件发展到各类应用的光子集成电路。但是，传统光子集成电路缺乏可重构性，导致灵活性有限，每次设计变更都需要制作芯片。可编程光子芯片通过调谐波导网中的相位实现软件定义的光路，可以克服这些困难。但配置具有数百个可调单元的多功能可编程光子芯片面临复杂挑战，需要自动自配置技术。

本文分析了Pérez-López等采用两种方法解决这些挑战的开创性工作：基于知识的例程和计算优化。文中详细讨论操作原理、集成电路控制接口、实验验证和未来展望，为这个新兴领域提供重要启示。研究人员和学生可以深入理解以推动可编程纳米光子技术发展。

可编程光子芯片的工作原理 

可编程光子芯片由具有相位调节器的光子波导网和可调基本单元组成，用于调制光相位。相位偏移改变干涉条件，从而编程整个电路响应。光子网络可以通过集成电路接口重新配置相位设置以实现不同功能。

如图1所示，集成电路集成光电探测器监测光输出并提取芯片的散射矩阵。优化算法在处理器上运行以确定实现期望响应的相位偏移。高密度互连连接光电探测和相位驱动信号。整个系统形成自配置反馈回路。

图 1. 多功能可编程光子电路的光子集成硬件和控制架构

a. 近期波导网格电路中集成相位偏移器的数量；

b. 标记的现场可编程光子门阵列 (FPPGA) 架构，包括一个波导网格核心和高性能构建块；

c. FPPGA 核心采用纵向平行六边形波导网格互连拓扑；

d. 电子控制子系统，信号和软件程序以控制可编程光子集成电路；

e. FPPGA 核心的完全散射矩阵的数据阵列，包括输入和输出空间端口以及光谱维度。 GP 通用，MEMA 多通道电子监测阵列，MEDA 多通道电子驱动阵列，LU 逻辑单元 [1]。

可编程光子技术的应用和动机 

可编程光子芯片通过软件编程实现多功能，具有无与伦比的通用性。一些关键应用包括：

可编程光子芯片使用通用硬件实现不同功能，降低成本。软件化配置还便于适应动态需求。但是，配置具有数百个可调单元的多功能可编程光子芯片面临复杂挑战，需要自动自配置技术。Pérez-López等通过两种方法解决这些挑战：基于知识的校准和计算优化算法。

基于知识的预判定 

第一种方法需要对每个 TBU 进行全面的预特征，以收集关于调谐范围、损失、串扰等的数据。这通过利用功率监控和优化程序实现自动自校准周期。这些数据指导路径查找算法为特定应用程序配置 PPIC。 Pérez-López 等人通过动态重新配置7-六边形30-TBU波导网格以实现各种电路（图2）来实验展示了这一点。定期自校准提供了自动路由算法配置目标光环谐振器、马赫-曾德尔干涉仪和同时多任务电路所需的数据。这构成了基于预特征数据的第一个实验多功能 PPIC 重新配置。 主要优点是利用已知的设备参数实现快速编程。然而，需要进行繁琐的初始特征和动态变化的重复校准，这仍然是一个可扩展性的挑战。尽管如此，该方法作为基于优化技术的有用补充。

图 2. 使用自动路由和先验知识算法进行顺序电路编程的实验结果

算法应用于一个30-可调基本单元的六边形波导网格，测量了通道12-24、11-23和7-17处的归一化最大光功率。

a 实验的工作流程遵循自我表征程序、自动路由算法和预设的生成，

b 通过归一化最大光功率与调谐步骤的演变来说明动态配置，允许每个相位执行器的最大电流步进变化为5毫安，以显示三个光通道，

c 波导网格布局与相关单元格配置为被动、交叉、条形或可调耦合状态（上），并为每个电路配置测量归一化的光谱响应（下），对于以下七种配置：配置0：被动状态，配置1：由10个基本单元长度（BULs）定义的光环谐振器（ORR），配置2：Mach-Zehnder干涉仪（MZI; 4 BUL），配置3：MZI（2-BUL）和 ORR（6 BUL），配置4：ORR（6 BUL），配置5：耦合共振器光波导（CROW; 6 BUL），配置6：延时线（6 BUL）和 ORR（6 BUL），以及配置7：ORR（12 BUL）。轨迹归一化为具有22 dB耦合和传播损耗的直波导。

自配置的计算优化

为了克服特征开销，Pérez-López 等人设计了优化算法，将 PPIC 视为一个黑盒。通过提取散射矩阵的一部分并应用自定义成本函数，通过像粒子群优化和遗传算法这样的全局搜索算法迭代地改进配置。这使得可以在不需要设备知识的情况下实现多种规格的自主自配置。 通过对一个36-TBU六边形网格 PPIC 的统计模拟，彻底分析了提出的技术。演示了三种应用 - 一个全交叉电路、光分束器和可配置光滤波器，即使在极端动态非理想条件下也验证了强劲的性能。系统地研究了超参数和成本函数公式对收敛的影响。 还通过成功编程干涉网格电路以获得目标光谱响应进行了实验验证，展示了计算优化对具有数千个可调元素的大规模多功能 PPIC 的潜力。

电子集成电路控制接口 

电子集成电路接口是 PPIC 和优化算法之间反馈回路的重要方面。高速高密度互连对于同时控制数百个 TBUs 和读取光监视端口是必需的。Pérez-López 等人在实验中使用多通道电流源阵列和光谱分析仪，展示了重新编程时间少于 1 秒。 对于大规模的 PPICs，先进的电子集成电路对于管理密集的光和电 I/Os 并运行超快优化例程是至关重要的。图 1 描绘了可能的集成电路架构，包括光电探测器阵列、驱动电子设备、互连和处理器。并行控制和并行光监视通道可以增强可扩展性。激进地共集成电子和光子可以减小接口瓶颈，同时节省空间和功率。

可编程纳米光子电路的未来展望

正如Pérez-López等所讨论的，要充分发掘可编程光子芯片的潜力，必须加快收敛速度、提高算法优化效果、增强容错能力和硬件可扩展性。可以追求几个有前景的方向。

利用机器学习的光响应专用成本函数可以提高优化效率。问题可以分解为分治法，并与学习的梯度杂交。最大限度减少串扰和功耗的光子硬件同样至关重要。最终，完全软件定义的纳米光子芯片的实现取决于电子与光子的颠覆性集成。

结论

本综述深入分析了Pérez-López等在论文中提出的用于集成可编程光子芯片的变革性自配置技术。详细解释了操作原理、集成电路控制接口、实验验证和未来展望。这些开创性方法建立了一种跨学科范式，将计算与光子技术融合，以实现软件定义的可编程纳米光子芯片的巨大潜力。这些技术为功能超越专用光子芯片的智能可编程光子芯片铺平了道路。随着自配置方法和电子与光子技术融合的发展，全自动的多功能纳米光子制造指日可待。

参考文献

[1] Pérez-López， D.， López， A.， DasMahapatra， P. et al. Multipurpose self-configuration of programmable photonic circuits. Nat Commun 11， 6359 (2020). https：//doi.org/10.1038/s41467-020-19608-w