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Nature Communications更新|利用硅基光电子技术实现完美线性光学

简介

线性光学操作是量子计算、神经形态计算和光信号处理等新兴应用的基础。在集成光子电路中准确高效地实现这些操作一直是一项重大挑战。本文探讨了一种突破性方法，即利用硅基光电子技术在线性光学变换中实现近乎完美的保真度。

我们将研究Moralis-Pegios等人开发的新型相干交叉（Xbar）架构，该架构克服了先前设计的关键局限性。通过仔细校准和保真度恢复机制，他们的4x4硅基光电子芯片在实现任意线性变换时，保真度达到了创纪录的99.997% [1]。

背景

线性光学操作是指通过矩阵W的乘法将输入矢量X转换为输出矢量Y：

Y = W * X

以前的集成光子学方法使用2x2马赫-曾德干涉仪的网格来实现单位矩阵。然而，这些方法存在以下问题：

插入损耗与矩阵大小呈非线性比例
复杂的编程程序
因制造缺陷导致保真度降低
仅限于单位变换

Xbar架构

相干Xbar架构采用了一种截然不同的方法：

主要特点：

将输入矢量和矩阵元素直接映射到光学调制器
基于树的分裂和重组阶段
双射权重到节点的映射

这可以实现：

插入损耗的线性缩放
编程简单
恢复保真度功能
任意（而非单一）矩阵的实现

硅基光电子技术实现

作者在硅基光电子技术平台上制造了一个4x4 Xbar原型。

关键组件：

用于输入矢量和矩阵元素编码的50 GHz SiGe电吸收调制器（EAM
用于精细相位控制的温度光相移器
用于光输入/输出的光栅耦合器

校准程序

精确校准对于实现高保真度重要。作者开发了一种硬件感知（HA）校准程序：

1.分别描述每个EAM

a)施加离散偏置电压（0、-1、-2、-3V）

b)测量所有256种可能组合的输出

c)使用线性回归拟合EAM参数

2.归一化各行权重值

3.生成查找表，将所需权重映射到EAM偏置电压

与使用名义EAM参数的基准方法相比，这种HA校准大大减少了编程错误。

保真度恢复

一项关键创新是用于补偿列间差异损耗的保真度恢复机制：

1.描述每列的输出功率分布

2.识别输出功率最低的列

3.对其他列进行衰减处理，以匹配最低功率列

这种平衡消除了各列之间因制造差异而产生的系统误差。

实验结果

作者通过执行10，000个随机4x4矩阵，并测量输出与理想目标的保真度，测试了他们的4x4 Xbar芯片。

结果：

基准编程：保真度为94.35±0.693
经过高阶校准和保真度恢复后：99.997 ± 0.002%的保真度

这接近实验装置的测量不确定性，代表了近乎完美的线性光学操作。

优于以往方法

Xbar架构克服了之前MZI网格设计的关键局限性：

保真度与插入损耗的权衡

Xbar架构即使在高节点插入损耗下也能保持近乎完美的保真度，而MZI网格的保真度则会迅速下降。

可扩展性

Xbar的插入损耗与规模成线性关系，因此实际应用中最大可达64x64。MZI网格在4x4以上时损耗会迅速增大，超出预期。

编程复杂度

通过双射权重映射，Xbar的编程变得非常简单。MZI网格需要复杂的校准程序，在大规模时变得难以处理。

速度

Xbar可以使用高速调制器，如本文中展示的50 GHz EAM。MZI网格受限于对低损耗移相器的需求。

通用性

Xbar可以执行任意矩阵，而不仅仅是单位变换。

实现指南

要实施您自己的基于Xbar的线性光学处理器：

设计

1.确定所需的矩阵大小

2.选择调制器技术（例如EAM、MZM）

3.使用树形分光器/合光器设计Xbar架构

制造

1.使用成熟的硅基光电子代工工艺

2.包括测试结构，以描述单个组件的特性

封装

1.线焊芯片到印刷电路板

2.增加热控制以保持稳定性

3.整合光纤阵列用于光学输入/输出

校准

1.分别描述每个调制器

2.生成权重偏置查找表

3.测量列间差异损耗

编程

1.将所需的矩阵转换为标准化的权重

2.查找相应的调制器偏置电压

3.应用保真度恢复衰减因子

操作

1.将输入矢量编码到调制器上

2.应用矩阵权重

3.测量输出光功率

验证

1.比较测量值和预期输出值

2.计算保真度指标

潜在应用

高速实现近乎完美的任意线性变换的能力带来了令人兴奋的应用可能性：

量子计算

1.线性光学量子门

2.玻色采样加速器

神经形态计算

1.神经网络的超快速矩阵-矢量乘法

2.利用光学权重库进行内存计算

微波光子学

1.宽带波束成形网络

2.射频滤波和信号处理

光通信

1.MIMO均衡

2.空分复用

科学仪器

1.自适应光学

2.光谱整形和脉冲形成

结论

硅基光电子技术Xbar架构是集成线性光学处理器领域的一大进步，克服了之前设计的局限性，实现了近乎完美的保真度、高速和大规模任意线性变换。

本文介绍了这一强大新方法的关键概念、设计原则和实施步骤。随着硅基光电子技术的不断成熟，基于Xbar的处理器有望加速量子、神经形态和经典计算领域中一系列新兴应用的开发。

未来的工作可能集中在：

1.扩展到更大的矩阵规模（32x32、64x64）

2.与片上激光器和探测器集成

3.探索新型调制器技术

4.与目标应用共同设计

得益于硅基光电子技术的这一突破，实用的大规模线性光学计算的时代已经指日可待。

参考资料

[1]M. Moralis-Pegios et al., "Perfect linear optics using silicon photonics," Nature Communications, vol. 15, no. 5468, Jul. 2024, doi: 10.1038/s41467-024-49768-y.