探索硅基可编程光电子电路：PhotoCAD版图工具的实际应用

  摘要

  可编程光电子电路(Programmable Integrated Photonic Circuits) 代表了一种新兴技术,可以在芯片上实现可重构的光电子系统。由于其与CMOS工艺的兼容性,硅基光电子技术已经成为实现可编程光电子的领先平台。本文对可编程光电子进行了介绍,并讨论了使用硅基光电子技术实现可编程光电子电路的原理、技术要求、应用和设计方法。也介绍了如何使用PIC Studio 的智能化光电芯片版图工具PhotoCAD实现可编程光电子版图。

  介绍

  随着光电集成电路(PIC)的发展，硅基光电子领域已经取得了巨大的进步。PIC在芯片上实现了光电器件和系统，具有小型化、稳定性、可扩展性和低成本等优势。由于硅基光电子技术与CMOS制造工艺具有兼容性，可实现大批量生产，因此成为PIC发展主要推动力。但是到目前为止，大多数硅基光电子PIC都是针对特定应用设计，执行固定功能。

  可编程光电子电路代表新的范式，其中PIC的功能可以通过软件以电子方式进行重新配置。这个概念的灵感来自于电子电路中的现场可编程门阵列(FPGA)，可以被重新配置以实现不同的数字逻辑功能。可编程光电子电路为光电子系统带来了类似的灵活性，以及快速原型设计和更低的开发成本。本教程概述了可编程光电子电路以及它在硅基光电子集成电路中的实际应用。

  工作原理

  可编程光电子电路的关键思想是使用由可调耦合器和相移器组成的可重构光电子网格来传递组件之间路由信号。如图1所示，可调耦合器和相移器形成2x2光学门，可以在波导之间任意混合、传递路由信号。可重构网格取代了固定的波导连接，提供对连接性的软件控制。

  图1：具有可重构波导网格的可编程光电子电路

  实现光子网格有不同的拓扑结构。正向网格只允许光以一个方向从输入传播到输出来实现线性变换。循环网格则可实现双向传播，支持诸如延迟线和谐振器等功能。网格架构可以根据需要进行优化。调制器和检波器等其他组件连接到网格可以处理光。

  技术要求

  实现可编程光电子电路的几项关键技术:

  - 硅基光电子技术提供了能够实现高集成度组件(如可调耦合器和相移器)的高折射率对比波导平台。其与CMOS的兼容性也可以实现大规模制造。

  - 使用MEMS、热光、电光和非线性效应等机制的可调耦合器提供波导之间功率分配的可重构性。

  - 使用MEMS、热光、电光、压电和应变调节等技术的可调相移器促进光子网格中动态相位控制。

  - 带有数字和模拟电路的控制电子电路与光电芯片接口连接以配置可调元件。此外，还采用了反馈监控技术。

  - 封装和集成技术连接光、电子元件，使输入/输出信号进出芯片。混合集成和单片集成是相当活跃的研究领域。

  - 编程算法和例程配置可调光子网格，以实现从简单路由到复杂滤波器的功能。

  应用

  可编程光电子电路的应用领域:

  - 光通信：可编程发射器、接收器、滤波器、路由器、开关等。

  - 微波光子学：可重构的光束成形、滤波、均衡和分配。

  - 传感：可自适应的光谱仪、干涉仪、激光雷达等。

  - 光学神经网络：线性变换和矩阵向量乘法。

  - 量子信息：线性光学变换和电路。

  使用PhotoCAD设计PIC布局

  PhotoCAD是PIC Studio工具链中的PIC设计和版图工具。利用Python3框架和波导、耦合器、相移器等常见器件的参数化布局生成器实现了快速的电路原型设计。PhotoCAD可以有效地实现可编程光电子电路版图设计。

  例如，图2所示的三角MZI网格可以通过以下步骤轻松实现：

  - 定义具有布局的MZI PCell类。

  - 实例化MZI组件,并使用Linked类进行波导路由连接它们。

  - 添加相移器控制的电子端口。

  - 融入其他器件如探测器。

  - 将电路布局导出为GDSII格式。

  PhotoCAD的高级电路描述语言界面，可通过修改连接轻松尝试不同拓扑结构。紧凑的弯头样式减小了网格占用空间。PhotoCAD能快速实现硅光子可编程PIC原型。

  图2: 使用PhotoCAD生成的三角MZI网格布局

  结论

  使用硅基光电子技术实现的可编程光电子电路，可重构的光信号处理提供了一个灵活的平台。通过软件控制可对功能进行重新编程，该能力消除了更改设计所需的制造步骤。与专用的光电芯片相比，可编程光电子电路使没有光电子专业知识的用户也能更容易获得光学知识。PIC Studio的开源PhotoCAD版图工具，可实现在硅芯片上快速生成可编程光电子电路系统布局。可编程光电子电路的进一步的技术开发和的应用将带来一个蓬勃发展的光电子解决方案生态系统。