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nature：可编程光子电路
导读
集成光子技术的日益成熟，使得在芯片表面构建越来越大、越来越复杂的光子电路成为可能。如今，虽然这些电路大多数都是为特定的应用而设计的，但是复杂性的增加使得科学家们研制了新一代光子电路，新一代的光子电路可以通过软件对电路上的片上波导、可调谐光束耦合器和光学移相器的网状结构编程，来实现各种各样的功能。
本文讨论了可编程光子电路的现状，包括光子构造块和电路结构的发展，以及电子控制和编程策略；展示了线性矩阵运算、量子信息处理和微波光子学等方面可能的应用；并研究了这些通用芯片如何通过提供更高层次的平台、在不需要定制芯片制造的情况下原型化新光学功能，如何加速未来光子电路的发展。
前言
光子集成电路(PICs，Photonic integrated circuits)是近年来发展起来的一种支持多种应用的强大技术。与电子集成电路类似，PICs是在芯片表面上实现的，但是它们使用片上波导、光束耦合器、可调谐光束耦合器、光学移相器来操纵光。电子电路擅长数字计算，而光子电路擅长传输和处理模拟信息。可编程PICs主要用于光纤通信中化学、生物或光学传感器、计量学以及经典和量子信息处理。如图1所示，可以看出可编程PICs在各种应用中起重要作用。
图1 可编程光子电路中的应用。微波信号可以在光纤上传输，并在光学领域进行处理，应用于xDSL和5G中。光学传感器系统可用于建筑、汽车、安全和医疗环境：如光学相干层析成像(OCT)或调频连续波(FMCW)激光雷达。
内容
可编程PICs是基于芯片上的光流可以在运行时被操纵的原理。例如，通过电子控制由光波导连接的可调谐光束耦合器，光线在软件控制下被分开并在空间上重新路由。PICs芯片可以通过沿不同路径干扰信号来实现各种线性功能，而且它们还可以定义可编程波长滤波器，这些波长滤波器对于通信或传感器应用以及光学领域中微波信号的处理都是必不可少的组成部分。当按比例增加连接波导的网格时，干涉可以进行线性光学计算，如计算实时矩阵向量积。这些都是量子信息处理、神经网络计算和人工智能中必不可少的操作。
在此，为了把握PICs的发展脉络，本文作者总结了这一新兴领域的最新发展成果。作者首先解释了波导网格的核心概念，以及它们如何进行光路由、执行模拟矩阵和滤波操作；最后阐述光子电路的必要技术。
在可编程光子集成电路中，光的流动是由使用2×2块或“模拟门”的网状连接的波导控制的。“模拟门”相当于芯片上自由空间光分配器，如图2所示。网格连接决定了可编程电路的功能，以及它如何被配置。一些架构支持任意矩阵操作，甚至可以自动适应不断变化的问题。可以把波导网格分成两大类：A.前向（图3），光从网格的一侧流到另一侧；B.循环（图4），光可以成环路由，甚至返回到输入端口。两种架构都使用相同的构建块：波导、2×2耦合器和形成模拟光门的光移相器。
1.基本模块：2×2模拟光电门
如图2所示，2×2光电门将来自两个输入波导的光以线性组合的形式投射到两个输出波导上。如果所有元素都是无损的，则对应于矩阵酉变换。最常见的片上实现方式是马赫-曾德尔干涉仪（MZI，Mach–Zehnder interferometer），如图2c、d所示，光电门至少需要两个可调参数p1和p2来独立控制功率分配K和相对相位延迟Δφ。这可以通过将两个光学移相器放置在MZI的不同位置来实现（图2c、d）。当MZI中的两个固定耦合器具有理想的50:50分流比时，从0％（bar）至100％（cross）所有的耦合比是可能的（图2b）。另一种2×2门电路结合了一个可控耦合器和一个移相器（图2e）。这些门电路用于控制光在向前和向后的方向的流动。
图2 通用2×2光门。a：2×2的光门混合调制光波a1和a2,分别输入到波导。控制功率耦合k和相位延迟Δϕ，输出波b1和b2。b：门可以在“bar”和“cross”态之间调整。c-e，该门可以实现具有两个自由度的电路p1和p2，如带有两个光移相器的MZI，或带有附加移相器的可调谐耦合器。
2.前向网格
在前向网格网络中，光是单向流动的，在每一阶段都会干扰到2×2模拟光电门。这种架构允许一个简单的渐进设置——例如：基于最小化或最大化功率光电探测器，在某些情况下，可以针对特定问题进行自配置，并能自稳定运行。
图3a示出了具有五个波导的简单网格的示例。五个波导进入具有“对角线”的三角形网格，每个都可以配置为自对准光束耦合器。当相干光注入2×2模拟光电门的输入波导时，可以顺序调整p1和p2，以便输出波导中的光束完全抵消。在图3a中作者调整MZI11以最大程度降低检测器D11的功率，将所有光路由到上部输出波导中。作者对MZI12，MZI13和MZI14重复此过程，从而将来自波导1–5的所有光合并到输出1。此自配置算法适用于输入波导中幅度和相位的任何组合，并且可以重复运行环路用于实时适应变输入。
图3 2×2光门前向网格。a：三角形5×5单元电路，由4条2×2光门（MZI11–MZI41）的对角线组成，带有透明光电探测器（D11–D41）和一个输出波导。b：具有透明检测器（非接触式集成光子探针，CLIPP）的四通道对角线模式“解扰器”。c：26个输入通道的大规模实例。d：二叉树自对准光束耦合器。e：矩形单元架构。
3.循环网格
循环网格由波导环和2×2光电门耦合组成，形成规则的二维网格。这些回路可以让光沿任意方向通过网格，允许在所有波导端口之间编程一个完整的散射矩阵。与前向网格相比，这些网格允许离散长度(整段数)的延迟来实现干涉和谐振波长滤波器。这些回路可以连接在不同的拓扑结构中，包括正方形、六边形、三角形和可选几何结构，如图4所示。图4d–f说明了一个7单元六边形网格中的两腔环形滤波器。自由光谱范围（FSR，The free spectral range；两个共振之间的频率间隔）与光学往返长度成反比，因此希望环尽可能小。例如，当网格中的每个“段”的光路长度均为1 mm时，六边形网格中最大的FSR可能为50 GHz，这适合于射频应用。
图4 循环波导网格图。a–c：循环波导网格可以基于方形单元（a），六边形单元（b）和三角形单元（c）。 d–f：在六边形网格中编程的双环加/减波长滤波器（d），等效电路（e）和不同耦合κ1，κ2和κ3的透射率测量（f）。
4.通用可编程光子学
如图5a所示，前向波导网格和再循环波导网格均可构成通用可编程光子电路的核心。这些结构类似于电子学中的现场可编程门阵列(FPGA，field-programmable gate array)。除了核心之外，可编程PICs还需要一组输入/输出光信号端口。此外，根据应用的不同还需要专用的高性能模块，以执行专门的(电子)光学功能；如光源、高速调制器、检测器、光放大器、长延迟线和高质量滤波器。核心波导网格将这些模块互通，并且能够模仿其中一些功能，如延迟线或波长滤波器；但不一定具有与专用模块相同的性能水平。在实践中，为了使大型波导网能够正常工作，还需要驱动器和监控器电子设备、控制回路、配置软件以及方便封装的光学和微波接口；所有这些都由开发套件提供支持，这些开发套件适用于开发集成天线的工程师。
图5 a：可编程光子电路的技术栈。可编程光子集成电路需要几个功能层。光子芯片具有连接到控制电子器件、光维、高速调制器和探测器的光学和微波域之间转换光门的可编程网格。b：考虑到热和机械的约束以及密封性和电磁兼容性(EMC，electromagnetic compatibility)的要求，光子芯片与模拟和数字驱动的电子元件一起封装。c：，软件算法和编程层给予用户访问光子功能。
总结
光子芯片在基本操作和可有效执行的功能方面与电子芯片是不同的。因此，作者期望这两种类型的芯片是互补的，不期望将光子电路用于电子学擅长的数字计算，而是期望光子芯片能在通信、传感和宽带模拟信号处理领域发挥作用。
可编程光子芯片自然比定制设计的电路更通用和灵活。当然，仅当这些芯片可以在多个应用中使用时，这种可编程性才有用。PICs的发展主要是由高速通信(电信和数据中心)推动的，但是其他的应用，例如感应和信息处理，正在探索中。就像在电子学中一样，科学家们期望可编程的PICs将以不同的模式融入生态系统。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2764-0
撰稿人：袁梓锋（2020级硕士生）
校稿人：王晨浩（2020级硕士生）
