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可编程光门阵列（FPPGAs）：光电子 FPGA

引言

近年来，集成光电子技术取得了显着进展，应用范围从电信到量子计算。然而，设计和制造特定应用的光电子集成芯片（ASPICs）往往耗时且成本高昂。为解决这些挑战，研究人员提出可编程光门阵列（FPPGAs），其灵感来源于电子领域的现场可编程门阵列（FPGAs）。

本文介绍FPPGA的概念，解释其基本构建模块，讨论各种架构，并探讨其潜在应用和挑战[1]。

FPPGA概念

FPPGA是光电子集成芯片结合了可编程光模拟模块（PPABs）和可重构光互连（RPIs），创建了多功能且可重构的光学处理平台。FPPGA的高层概念如图1所示：

图1

与传统ASPICs相比，FPPGA具有以下优势：

1.缩短上市时间

2.降低原型开发成本

3.降低开发新想法的财务风险

4.具备多功能和多任务操作能力

基本构建模块

FPPGA主要由两种类型的构建模块组成：

1.可编程光模拟模块（PPABs）

2.可重构光互连（RPIs）

可编程光模拟模块（PPABs）

PPABs是FPPGA的基本处理单元。通常实现为2x2可逆门，可以对光信号的幅度和相位进行各种操作。最基本的PPAB基于旋转矩阵，可以通过以下组件物理实现：

定向耦合器
3-dB马赫-曾德可调耦合器
推挽式相移器

图2说明了旋转算子和集成波导组件之间的同构关系：

图2

考虑了四种主要类型的PPABs（A、B、C和D），每种类型具有不同的内部信号耦合布局，如图3所示：

图3

可重构光互连（RPIs）

RPIs提供可调相移，并连接PPABs以形成更复杂的线路。PPABs和RPIs的组合允许实现任意2x2幺正变换，这些变换可以级联以创建更大的光学线路。

FPPGA核心架构

FPPGAs可以基于不同的PPAB类型组合设计出各种核心架构。三种主要的FPPGA类别：

1.ABAB：每列和每行交错排列A型和B型PPABs

2.ABCC：交错AB PPABs列和C型PPABs列

3.ABDD：交错AB PPABs列和D型PPABs列

图4显示了这些FPPGA类别的布局：

图4

设计流程和技术映射

在FPPGA上实现光学线路的过程包括几个步骤，如图5所示：

图5

1.应用输入：定义初始线路配置

2.优化：改进面积和性能

3.技术映射：将优化的网络转换为FPPGA处理模块

4.布局布线：将处理模块分配到FPPGA核心中的特定位置

5.性能计算和设计验证

6.FPPGA配置

物理实现

FPPGAs可以使用集成光电子方法物理实现，如硅基光电子或混合/异质III-V和硅基光电子平台。PPABs可以使用各种技术实现，包括：

MEMS耦合器
双驱动平衡马赫-曾德干涉仪
带有额外相移器的单驱动平衡马赫-曾德干涉仪
双驱动或单驱动多模干涉仪
双驱动或单驱动定向耦合器

均匀波导网格为实现FPPGA布局提供了自然且紧凑的选择。图6显示了集成波导网格的基本单元块与主要RPI+PPAB块之间的对应关系：

图6

实验结果

最近的实验证明了使用硅基光电子和氮化硅平台实现FPPGAs的可行性。图7显示了FPPGA实现的例子：

图7

这些FPPGA原型已被用于演示各种光学线路，包括：

1.不平衡马赫-曾德干涉仪（图8）

2.双耦合器环腔谐振器（图9）

3.实现三分器操作和哈达玛门的3x3 MIMO干涉仪（图10）

图8

图9

图10

挑战和未来方向

FPPGAs为可编程集成光电子技术提供了巨大潜力，但要广泛采用还需要解决几个挑战：

1.可扩展性：PPABs和RPIs的数量目前受到插入损耗、功耗和光学串扰等因素的限制。

2.插入损耗：实现低损耗PPABs和RPIs（每单元低于0.2 dB）对于实现更大规模的FPPGAs非常重要。

3.功耗：探索高效的调谐机制对于降低功耗和热量产生非常重要。

4.光学串扰：最小化信号泄漏和反射对于维持复杂线路中的高性能非常重要。

5.集成密度：在保持低损耗和低功耗的同时增加每个芯片上的PPABs和RPIs数量是一个关键挑战。

为解决这些挑战，研究人员正在探索各种方法，包括：

将半导体光放大器（SOAs）作为外围高性能模块以补偿损耗
开发低损耗、高能效和紧凑的调谐机制
实施智能配置以消除泄漏信号并提高系统性能
探索3D硅基光电子平台以克服微型化权衡

图11显示了具有高性能构建模块的先进FPPGA架构示意图：

图11

结论

可编程光门阵列代表了集成光电子技术的新范式，与传统ASPICs相比，提供了灵活性、可重构性和降低的开发成本。通过结合可编程光模拟模块和可重构光互连，FPPGAs能够在单个芯片上实现各种光学线路。

随着该领域研究的进展，可以期待在可扩展性、性能和集成密度方面的改进，从而实现更强大和多功能的FPPGAs。这些进展可能会在电信、量子计算和高性能信号处理等领域开辟新的应用，为下一代光电子技术奠定基础。

参考文献

[1]J. Capmany and D. Pérez, "Programmable Integrated Photonics," Oxford University Press, 2020.