可编程光门阵列（FPPGAs） ：光电子 FPGA

逍遥设计自动化

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]。
  ]  Q# C; i' g) u9 [8 m# h' ZFPPGA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：

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% {0 `# P) S+ l1 y7 G, t图1与传统ASPICs相比，FPPGA具有以下优势：1.缩短上市时间
* C4 D; q2 p2 G' y9 d3 A- y% s2.降低原型开发成本
  t# U1 r  |0 G8 [# ~' }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
/ u! V; i+ q/ D
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）
3 @& X3 Y# ?$ R& W9 D1 `! c6 I( z) e) o2.可重构光互连（RPIs）
( G) [: _  M: t- Z6 [# i( x) o
3 p: f" d5 j' Y) I' q+ I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：
+ ]+ t; E5 e% y1 ]( L$ D

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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：
9 R: ~0 E( K  T! z* N( y. A  n6 n

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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
  K& G( x# H% Q9 G4 y2.ABCC：交错AB PPABs列和C型PPABs列
. T9 q0 `" `$ [' P* h0 s3.ABDD：交错AB PPABs列和D型PPABs列
) ?. ]  |1 h# g1 g( n& y5 v: E图4显示了这些FPPGA类别的布局：
: {$ o$ a4 E% f! L

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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：

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" R$ \% t+ m; Q9 ?5 X图51.应用输入：定义初始线路配置
2.优化：改进面积和性能
" |$ P  {: g) k* Z% D9 s3.技术映射：将优化的网络转换为FPPGA处理模块
7 \" Y) l8 n# p) S3 p! l! v7 O/ k4.布局布线：将处理模块分配到FPPGA核心中的特定位置
# ?8 o8 J) r0 p1 B2 n, ?5.性能计算和设计验证
" V8 \8 f+ e$ p, f/ \5 E6 H; m+ y6.FPPGA配置
* g  U' C% C% x* Q
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
- r  [7 g% v; G0 g双驱动或单驱动多模干涉仪
双驱动或单驱动定向耦合器
- B$ B0 C5 R. ?9 m
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：
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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：

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3 r7 }" d! [0 e- B8 D# `0 ?* m! F+ b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）
) T5 H8 N% M" |3 s7 g3.实现三分器操作和哈达玛门的3x3 MIMO干涉仪（图10）
( f, {5 d* v5 L, ?

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图8

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+ ~; V  d* F: z图9
9 `9 o9 @% w% x; ?. t

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" b1 ~) ?" o4 _" k' \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。
8 o6 ~% ]+ k$ {# ^2 b2.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。
% H/ L, m" ^0 S5 J- w4 I3.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。
: l$ l4 D- m, g3 G2 C5 r4.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。
9 u8 R3 m+ {: m' e9 x  [  h$ ?- s5.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。
* G3 V9 Y6 X% D  V/ [) q$ K- E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
' g5 o- {( G+ F1 F  x; I2 z开发低损耗、高能效和紧凑的调谐机制
2 F; S# f0 s3 s0 ^* F实施智能配置以消除泄漏信号并提高系统性能
/ k4 E) B/ H( r/ n" U' z+ G探索3D硅基光电子平台以克服微型化权衡

: [) M2 @* i7 d0 _  [. L  c图11显示了具有高性能构建模块的先进FPPGA架构示意图：
4 P8 T( g/ J) W* H" `+ u

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" V: S. e3 B- N0 ?( m: |& n% d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。
" w$ R9 {6 C) H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.
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