可編程微波光子芯片研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢①

劉高見，譚慶貴，于洪喜

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

微波光子技術(shù)將微波技術(shù)和光電子技術(shù)聯(lián)系起來，利用光子學(xué)大帶寬、低損耗等優(yōu)勢，可以克服傳統(tǒng)微波技術(shù)在處理速度和傳輸帶寬等方面的電子瓶頸，大幅度提高微波系統(tǒng)工作性能[1，2]。早期微波光子系統(tǒng)多使用分立器件，受到了成本高、體積大、系統(tǒng)復(fù)雜度高、功耗大，易受環(huán)境影響的制約，大規(guī)模應(yīng)用受到了限制。

近些年隨著集成光子技術(shù)的飛速發(fā)展，微波光子技術(shù)也在向著集成化、芯片化的方向發(fā)展，極大地降低了系統(tǒng)的體積、功耗和重量[3-5]。目前，集成微波光子技術(shù)的研究主要集中于專用光子集成電路(Application Specific Photonic Integrated Circuits，ASPICs)，即一個芯片實(shí)現(xiàn)一個特定的微波光子信號處理功能，如濾波器[6，7]、延遲線[8]、光電振蕩器[9]等。ASPICs靈活性較差，若想改變相應(yīng)的信號處理功能就需要重新進(jìn)行設(shè)計，耗時長，成本大。受到數(shù)字信號處理芯片(Digital Signal Processors, DSPs)和可編程門陣列(Field Programmable Gate Arrays, FPGAs)的啟發(fā)，近幾年許多學(xué)者開始關(guān)注可編程微波光子芯片的設(shè)計。它基于可重構(gòu)的集成光波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，通過適當(dāng)?shù)木幊炭刂瓶梢詫?shí)現(xiàn)多種信號處理功能[10-14]。這種可編程芯片相比于ASPICs可以極大地降低硬件生產(chǎn)的成本，并且具有更好的靈活性。

目前通信、雷達(dá)系統(tǒng)在向著大帶寬、高頻、多頻段的方向發(fā)展，對射頻前端提出了更高的要求。在射頻前端中使用可編程微波光子芯片，可以軟件定義出工作在不同頻段的濾波器組，同時濾波器組的中心頻率和帶寬均可以根據(jù)接收信號的變化動態(tài)調(diào)節(jié)。若在接收信號附近出現(xiàn)了強(qiáng)干擾信號，還可以軟件定義陷波或帶阻濾波器，抑制相應(yīng)干擾。同時還可以軟件定義光路，將攜帶射頻信號的信號光與不同頻率的本振光合路，經(jīng)光電探測后實(shí)現(xiàn)不同頻段下變頻，或變頻轉(zhuǎn)發(fā)功能。這些不同的信號處理功能均可在同一塊可編程芯片的不同部分實(shí)現(xiàn)，并用路由波導(dǎo)連接起來，構(gòu)成射頻前端。使用可編程微波光子芯片設(shè)計的射頻前端，可以根據(jù)實(shí)際電磁環(huán)境進(jìn)行重構(gòu)，增加或改變特定功能模塊，具有很強(qiáng)的靈活性。而使用ASPICs設(shè)計的射頻前端一旦系統(tǒng)架構(gòu)確定，難以再增加或改變特定功能模塊。因此，可編程微波光子芯片可廣泛用于通信、雷達(dá)等光電子系統(tǒng)中以增加系統(tǒng)靈活性，適應(yīng)動態(tài)變化的電磁環(huán)境。

文章介紹了可編程微波光子芯片的光路拓?fù)浜椭饕δ埽S后介紹了其關(guān)鍵技術(shù)——可調(diào)節(jié)單元和控制方法的發(fā)展，最后對可能的發(fā)展方向進(jìn)行了總結(jié)。

1 可編程光波導(dǎo)網(wǎng)格

可編程微波光子信號處理的概念最早是由瓦倫西亞理工大學(xué)團(tuán)隊提出的[10，15]，它的可重構(gòu)光學(xué)信號處理核心是由光學(xué)路由和開關(guān)元件連接的環(huán)形諧振器(Ring Resonator，RR)、馬赫-曾德爾干涉結(jié)構(gòu)(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)、光柵或延遲線等光學(xué)器件組成的，通過外加控制信號改變內(nèi)部光學(xué)器件的連接狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)不同的信號處理功能。

為了進(jìn)一步增加可重構(gòu)功能的靈活性，近年來大量學(xué)者選擇使用波導(dǎo)網(wǎng)格作為通用基本單元，通過可調(diào)耦合器改變波導(dǎo)網(wǎng)格的連通方式，實(shí)現(xiàn)不同路徑的選擇，并構(gòu)成不同尺寸的RR，MZI等基本光學(xué)器件以實(shí)現(xiàn)特定的信號處理功能。常用的波導(dǎo)網(wǎng)格拓?fù)淙鐖D1所示。

(a)六邊形 (b)三角形 (c)正方形

2015年莫納什大學(xué)Leimeng Zhuang首次提出了將MZI器件排布成正方形網(wǎng)格形狀的可編程微波光子信號處理芯片，如圖2所示[12]。該芯片使用Si3N4材料加工，主要由兩個正方形網(wǎng)格單元組成，基本單元長度為3450μm，群折射率1.72，其自由頻譜范圍(free spectrum range，F(xiàn)SR)為14GHz。通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)可調(diào)耦合器的相位，波導(dǎo)網(wǎng)格可以配置為上下路微環(huán)結(jié)構(gòu)或全通微環(huán)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)中心頻率1.6GHz-6GHz連續(xù)可調(diào)，帶寬1.6GHz范圍內(nèi)可重構(gòu)，帶外抑制25dB的帶通濾波器。通過改變波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的連接方式，該芯片還可以實(shí)現(xiàn)抑制比達(dá)55dB的陷波濾波器、希爾伯特變換器、可調(diào)延遲線功能。

(a)

(b)

(a) (b)

2016年瓦倫西亞理工José Capmany團(tuán)隊提出了六邊形和三角形兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并與正方形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了全面的對比。最終認(rèn)為六邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)最適合用來設(shè)計通用可編程微波光子信號處理芯片[16]。在此基礎(chǔ)上2017年該團(tuán)隊設(shè)計、加工了一款7個六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的可編程信號處理芯片[17]。通過改變波導(dǎo)的連通關(guān)系實(shí)現(xiàn)了20余種光路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中包括單輸入單輸出的FIR濾波器、環(huán)形諧振器、耦合波導(dǎo)諧振器(coupled resonator waveguide，CROWs)、側(cè)向耦合環(huán)形諧振器間隔序列(side-coupled integrated spaced sequences of optical resonators，SCISSORs)、加載環(huán)形諧振器的MZI、多輸入多輸出的線性光矩陣變換等。芯片結(jié)構(gòu)如圖3所示。2018年José Capmany團(tuán)隊又利用該六邊形網(wǎng)格芯片實(shí)現(xiàn)了離散型和連續(xù)可調(diào)型延遲線[18]。

圖4所示為綜合出的濾波器和波束形成網(wǎng)絡(luò)的實(shí)例。圖4(a)為一個CROW帶通濾波器(輸入IN，輸出OUT2)，調(diào)節(jié)其中一個微環(huán)的移相器，可以調(diào)節(jié)兩微環(huán)諧振器諧振峰的相對位置，從而展寬通帶帶寬。圖4(b)為雙環(huán)加載MZI濾波器，該結(jié)構(gòu)可以用于實(shí)現(xiàn)巴特沃斯或切比雪夫?yàn)V波器[19]。圖4(c)利用不同長度延遲線構(gòu)成的波束形成網(wǎng)絡(luò)。圖中相鄰路徑的長度差為3個基本調(diào)諧單元，延時差為40.5ps[13]。

(a)微環(huán)耦合型濾波器

(b)MZI加載微環(huán)濾波器

(c)波束形成網(wǎng)絡(luò)CS交叉狀態(tài)，BS直通狀態(tài)，AV可使用，TC可調(diào)耦合器，k耦合系數(shù)

經(jīng)典的六邊形、正方形、三角形拓?fù)渲?，可調(diào)耦合器有不同的放置方向，這會對加工的一致性有一定影響，同時網(wǎng)格中央有未利用的空余空間，面積利用率較低。為了解決這一問題，2020年瓦倫西亞理工大學(xué)Daniel Pérez López對波導(dǎo)網(wǎng)格的排布方式進(jìn)行了優(yōu)化，將所有可調(diào)耦合器單元均水平放置，如圖5所示。這可以提高加工可調(diào)節(jié)耦合器的一致性，同時提高芯片面積的利用率，降低芯片加工成本[20]。

(a) (b)

圖5 (a)原六邊形網(wǎng)格(b)調(diào)節(jié)單元水平放置的六邊形網(wǎng)格[20]

Fig.5 (a)hexagonal pattern and(b)the longitudinally-parallel mesh topology[20]

經(jīng)典的正方形拓?fù)渲泄庑盘柌荒苤苯油ㄟ^交叉節(jié)點(diǎn)，必須轉(zhuǎn)彎90°繞行，進(jìn)行拓?fù)渲貥?gòu)時靈活性較差。2020年渥太華大學(xué)姚建平團(tuán)隊報道了一款可編程微盤陣列(field-programmable disk array，F(xiàn)PDA)微波光子芯片，在每個交叉節(jié)點(diǎn)，光信號可以在直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)三個方向間任意選擇[21]。如圖6所示，該芯片由8條波導(dǎo)交叉排布構(gòu)成方形網(wǎng)格，每個波導(dǎo)交叉處為一個1×1多模干涉器以使光波低損耗、低串?dāng)_的通過。每個交叉點(diǎn)處設(shè)計有兩個相同的上下路型微盤諧振器，可以實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)網(wǎng)格路徑選擇，同時它本身作為諧振器可以實(shí)現(xiàn)光信號處理。在諧振頻率處微盤諧振器的直通端響應(yīng)為一陷波器，同時具有較大的群時延，而下路端響應(yīng)為一帶通濾波器?；诖?，通過調(diào)節(jié)各微盤諧振器諧振頻率該可編程芯片可以實(shí)現(xiàn)帶寬可調(diào)節(jié)帶通或帶阻濾波器，波分復(fù)用解復(fù)用器，微波延遲線和波束形成網(wǎng)絡(luò)。另外通過微盤諧振器對光脈沖進(jìn)行頻譜整形，再經(jīng)過色散光纖實(shí)現(xiàn)波長到時間映射(Wavelength to time，WTT)，利用該可編程芯片還可以實(shí)現(xiàn)任意波形產(chǎn)生的功能。

表1 可編程光波導(dǎo)網(wǎng)格對比

注：a21種功能包括FIR濾波器、環(huán)形諧振器、CROWs、SCISSORs、加載環(huán)形諧振器的MZI濾波器、多輸入多輸出的線性光矩陣變換等

以上是可編程微波光子芯片拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)功能的發(fā)展現(xiàn)狀。表1對幾種可編程光波導(dǎo)網(wǎng)格實(shí)例進(jìn)行了總結(jié)?？删幊滩▽?dǎo)網(wǎng)格可以實(shí)現(xiàn)豐富的信號處理功能，但是其性能還有待提升。為了提高信號處理的性能需要增大芯片規(guī)模，以實(shí)現(xiàn)更高階數(shù)的濾波器或更大的延時調(diào)節(jié)范圍。隨著芯片規(guī)模的增加，需要的可調(diào)節(jié)單元數(shù)量會大大增加，這會引入大量的損耗和功耗，同時芯片控制的復(fù)雜度也極大增加。因此，對可調(diào)節(jié)單元的優(yōu)化設(shè)計和可編程芯片的控制方法成為了高性能可編程微波光子信號處理芯片的關(guān)鍵技術(shù)，也成為近幾年的研究熱點(diǎn)。

圖6 可編程微盤陣列芯片示意圖[21]

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 低插損、小尺寸、低功耗調(diào)節(jié)單元

可調(diào)耦合器是可編程微波光子芯片的基本調(diào)節(jié)單元(tunable basic unit, TBU)，是實(shí)現(xiàn)芯片功能重構(gòu)的關(guān)鍵部件，同時它也是影響芯片損耗和功耗主要因素。它的插損將逐級積累，這限制了芯片中可使用的可調(diào)耦合器的數(shù)量，進(jìn)而限制了可編程芯片所實(shí)現(xiàn)光學(xué)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和信號處理的性能。目前大量使用的可調(diào)耦合器是利用寬帶3dB平衡式MZI結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，由兩個固定3dB耦合器和相位調(diào)節(jié)單元構(gòu)成，如圖7(a)所示[18]。

在對稱MZI兩臂加載加熱電極，可以調(diào)節(jié)波導(dǎo)等效折射率，從而分別在上臂和下臂產(chǎn)生Φupper和Φlower的相移?？烧{(diào)耦合器的傳遞函數(shù)如下：

其中θ=(ΦUpper-ΦLower)/2，Δ=(ΦUpper-ΦLower)/2。耦合系數(shù)K=cos2(θ)，γ為損耗項。通過控制加熱元件產(chǎn)生的相移使得0≤sinθ、cosθ≤1，可調(diào)耦合器工作在可調(diào)功分器狀態(tài)，sinθ=0且cosθ=1時工作在交叉狀態(tài)，sinθ=1且cosθ=0時工作在直通狀態(tài)，如圖7(c)所示。這種可調(diào)耦合器使用了兩個3dB耦合器，尺寸和插損都比較大。

圖7 (a)基于MZI的可調(diào)耦合器(b)可調(diào)定耦合器(c)信號流向圖[18]

為了減小插損，瓦倫西亞理工團(tuán)隊設(shè)計了一款可調(diào)定向耦合器[18]，如圖7(b)所示。通過改變耦合區(qū)域兩波導(dǎo)臂的折射率，可以調(diào)節(jié)耦合系數(shù)，實(shí)現(xiàn)直通、交叉和可調(diào)功分器狀態(tài)的切換?？烧{(diào)定向耦合器的插損約為一個3dB耦合器的插損，相比于采用兩個3dB耦合器的傳統(tǒng)定向耦合器其插損減小至約1/2，長度減小到約1/3。但是可調(diào)定向耦合器實(shí)現(xiàn)耦合系數(shù)0到1的變化需要的功耗較大，約為460mW，遠(yuǎn)大于基于MZI結(jié)構(gòu)的270mW。

基于熱光效應(yīng)設(shè)計的可調(diào)耦合器通常需要加熱電極持續(xù)工作以維持固定的相移，產(chǎn)生π的光相移通常需要200mW～300mW的功耗(氮化硅)。當(dāng)可編程光子芯片規(guī)模擴(kuò)大時，需要的可調(diào)耦合器數(shù)量也相應(yīng)增加，芯片的功耗也會急劇增加。為了降低調(diào)節(jié)元件的功耗，J?rn P.Epping等人利用外加壓力改變材料折射率的性質(zhì)，在氮化硅波導(dǎo)上添加壓電材料(PZT)，設(shè)計出了壓光移相器[22，23]。該移相器產(chǎn)生π相移需要30～40V電壓，靜態(tài)泄漏電流小于0.1μA，靜態(tài)功耗在微瓦量級，驅(qū)動壓光執(zhí)行器的動態(tài)功耗小于4mW，遠(yuǎn)小于基于熱光效應(yīng)的調(diào)節(jié)單元。該壓光移相器可以用于設(shè)計低功耗的可調(diào)耦合器。

(a) (b)

根特大學(xué)Wim Bogaerts團(tuán)隊提出了基于硅光微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectromechanical Systems，MEMS)器件的可編程光子芯片[24]。在靜電場驅(qū)動下移動波導(dǎo)使其靠近或遠(yuǎn)離相鄰的波導(dǎo)可以產(chǎn)生較強(qiáng)的相移，并改變相鄰波導(dǎo)間的耦合強(qiáng)度[25]。圖9(a)所示為一個MEMS光移相器[26]，通過在梳狀驅(qū)動器上施加靜態(tài)電壓可以推動薄膜靠近或遠(yuǎn)離波導(dǎo)，從而改變波導(dǎo)的有效折射率進(jìn)而產(chǎn)生相位變化。圖9(b)為MEMS光開關(guān)[25]，在靜電場驅(qū)動下，中央波導(dǎo)可以向1號或2號波導(dǎo)彎曲，從而改變中央波導(dǎo)與1、2號波導(dǎo)之間的耦合實(shí)現(xiàn)單刀雙擲開關(guān)的功能，該光開關(guān)可以改變可編程光子芯片的路徑選擇。MEMS調(diào)節(jié)單元具有低功耗、低損耗的特點(diǎn)，適合在可編程芯片中大量應(yīng)用。

(a) (b)

表2對上述可調(diào)節(jié)單元的特性進(jìn)行了總結(jié)和對比。目前可調(diào)節(jié)單元大多基于熱光效應(yīng)，因?yàn)闊峁庑?yīng)引入的插損較小。然而，相比于利用壓光效應(yīng)和MEMS設(shè)計的可調(diào)節(jié)單元，熱光調(diào)節(jié)單元功耗較大，熱串?dāng)_比較嚴(yán)重，這使其在大規(guī)?？删幊坦庾有酒膽?yīng)用中受到了一定限制。平衡式MZI可調(diào)耦合器采用了兩個3dB耦合器，所以插損和尺寸要大于單個可調(diào)定向耦合器，但其功耗較小?；赑ZT和MEMS的可調(diào)節(jié)單元功耗很小，但基于PZT的調(diào)節(jié)單元尺寸較大。MEMS調(diào)節(jié)單元具有最小的尺寸和功耗，目前單個MEMS移相器的插損約為0.2dB，隨著工藝的進(jìn)步插損還可以進(jìn)一步減小[24]。因此，基于MEMS的可調(diào)節(jié)單元在大規(guī)?？删幊坦庾有酒杏休^好的應(yīng)用前景。

表2 可調(diào)節(jié)單元特性總結(jié)

2.2 綜合控制方法

通過改變可編程微波光子芯片波導(dǎo)網(wǎng)格的連通方式可以實(shí)現(xiàn)路徑切換，構(gòu)成不同長度的延時單元，微環(huán)諧振器和MZI結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)不同的微波光子信號處理功能。目前可編程微波光子芯片的功能重構(gòu)主要通過人工調(diào)節(jié)，芯片使用者基于特定的信號處理功能，設(shè)計好波導(dǎo)網(wǎng)格的連通方式，再通過調(diào)節(jié)加熱單元的電壓或電流實(shí)現(xiàn)特定的連通方式。隨著可編程芯片網(wǎng)格規(guī)模的擴(kuò)大，人工尋找特定連通方式并優(yōu)化各調(diào)節(jié)單元耦合系數(shù)的難度極大增加，高效的綜合控制方法對于大規(guī)?？删幊坦庾有酒膶?shí)際應(yīng)用具有重要的意義。

目前實(shí)現(xiàn)對可編程微波光子芯片的控制主要借用了圖論中路徑搜索算法。將芯片網(wǎng)絡(luò)映射為一個圖網(wǎng)絡(luò)，其中每個光端口是圖中的一個節(jié)點(diǎn)，每個端口之間的連接是圖中的一個邊，每條邊有不同的權(quán)重，這個權(quán)重代表了插損、功率消耗等參數(shù)。得到代表光子芯片網(wǎng)絡(luò)的圖網(wǎng)絡(luò)之后，就可以用圖論中的算法來實(shí)現(xiàn)對光子芯片連通路徑的控制，實(shí)現(xiàn)不同的功能。

2019年根特大學(xué)Xiangfeng Chen使用改進(jìn)后的Dijkstra算法，實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)網(wǎng)格兩指定端口間最小插損路徑的選擇[27]。在經(jīng)典的Dijkstra算法中當(dāng)前節(jié)點(diǎn)可以訪問所有相鄰未訪問的節(jié)點(diǎn)以尋找最短路徑，但是現(xiàn)實(shí)中光波傳播不能自動反向，并且在同一個可調(diào)耦合器中不能同時訪問直通路徑和交叉路徑，這使得經(jīng)典的Dijkstra算法找出的最佳路徑在現(xiàn)實(shí)中可能不能實(shí)現(xiàn)。為了解決這個問題，[27]改進(jìn)了Dijkstra算法，引入輔助節(jié)點(diǎn)進(jìn)行判決，避免同時使用同一可調(diào)耦合器的兩個狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)正確的路由選擇，但是這使得網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了永遠(yuǎn)不可訪問的節(jié)點(diǎn)。在這基礎(chǔ)上2020年該團(tuán)隊進(jìn)一步擴(kuò)展了算法，將光子芯片網(wǎng)絡(luò)映射為一個有向圖，將耦合器建模為一個8端口網(wǎng)絡(luò)，每個端口只可以單向傳輸。新的算法解決了不可實(shí)現(xiàn)路徑和不可訪問節(jié)點(diǎn)的問題，可以實(shí)現(xiàn)單輸入單輸出，單輸入多輸出和多輸入多輸出幾種情況的綜合[28]。

表3 控制方法總結(jié)

2020年瓦倫西亞理工大學(xué)Aitor López使用改進(jìn)的樹搜索算法分別在7個六邊形網(wǎng)格和18個六邊形網(wǎng)格兩種不同規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)了不同延時的光延遲線(即在指定端口間尋找特定長度的路徑)，不同尺寸的MZI結(jié)構(gòu)和微環(huán)諧振器，驗(yàn)證了該自動搜索路徑算法的有效性[29]。該控制方法的不足之處是綜合MZI結(jié)構(gòu)和微環(huán)諧振器時必須先人工定義MZI用作功分器和合路器的兩個TBU的位置，以及微環(huán)諧振器與直通波導(dǎo)耦合的TBU的位置，還不能實(shí)現(xiàn)全自動綜合。

2020年瓦倫西亞理工大學(xué)Daniel Pérez López通過構(gòu)造誤差函數(shù)，利用梯度下降法和單純形算法優(yōu)化各調(diào)節(jié)單元的耦合和相位，綜合出了一個1×8的功率分配器和一個消光比大于25dB的非對稱MZI結(jié)構(gòu)[20]。該優(yōu)化過程預(yù)先設(shè)置了輸入輸出端口和其間的連通方式，通過監(jiān)測各輸出端口光功率，實(shí)現(xiàn)對誤差函數(shù)的計算。文章指出誤差函數(shù)的構(gòu)建對于綜合出的光路性能有較大的影響，后續(xù)為了提升光路性能和優(yōu)化效率，還應(yīng)改進(jìn)誤差函數(shù)，并采用更高效的優(yōu)化算法。

表3對上述控制方法實(shí)例進(jìn)行了總結(jié)。目前對波導(dǎo)網(wǎng)格優(yōu)化控制的報道，主要是根據(jù)基本單元插損、功耗、長度等信息，尋找最佳連通路徑，即確定光路拓?fù)?。文獻(xiàn)[20]對器件性能進(jìn)行了優(yōu)化，但是光路拓?fù)湫枰A(yù)先設(shè)定。可同時實(shí)現(xiàn)光路拓?fù)渚C合和性能優(yōu)化的控制方法還有待進(jìn)一步研究。

3 發(fā)展趨勢

由以上分析可以看出，許多學(xué)者圍繞可編程微波光子芯片開展了深入的研究，光路拓?fù)湓O(shè)計，可調(diào)節(jié)單元優(yōu)化和控制方法等方面都取得了大量研究成果。然而，目前可編程微波光子芯片的報道大多處于功能演示的階段，要將其推向?qū)嶋H應(yīng)用還需要開展更為深入的研究。其發(fā)展趨勢總結(jié)如下：

(1)大規(guī)模集成可編程微波光子芯片。提高可編程微波光子芯片的性能需要增加可調(diào)節(jié)單元的數(shù)量，這必然要求更大的集成規(guī)模。光路拓?fù)浜涂烧{(diào)節(jié)單元的性能是影響集成規(guī)模的主要因素。這要求我們尋找可以提高集成密度的光路拓?fù)?，并?yōu)化可調(diào)節(jié)單元的性能，降低其尺寸、插損和功耗。如2.1節(jié)所述，優(yōu)化可調(diào)節(jié)單元需要在調(diào)節(jié)機(jī)理、調(diào)節(jié)單元結(jié)構(gòu)和集成工藝等幾個方面深入研究。

(2)更加智能的控制方法。隨著集成規(guī)模的擴(kuò)大，可調(diào)節(jié)單元的數(shù)量急劇增加，這極大增加了可編程芯片控制的復(fù)雜度。如2.2節(jié)所總結(jié)的，目前的控制方法還不能同時實(shí)現(xiàn)拓?fù)渚C合和性能優(yōu)化。因此還需要研究更加智能的控制方法，后續(xù)可以引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，從而快速綜合出實(shí)現(xiàn)特定信號處理功能的光路拓?fù)鋄30]。

(3)有源、無源器件混合集成。目前報道的可編程微波光子芯片中片上部分只有光無源網(wǎng)絡(luò)。一個完整的微波光子系統(tǒng)還需要電光調(diào)制器和光電探測器來加載和恢復(fù)微波信號，另外還需要光放大器來補(bǔ)償鏈路損耗。在可編程微波光子芯片上集成有源器件將使其成為一個完整微波光子系統(tǒng)，擺脫對片外功能模塊的依賴，進(jìn)一步增強(qiáng)芯片的性能和功能。全集成芯片可能的實(shí)現(xiàn)方式是使用硅基全集成或氮化硅和磷化銦的混合集成[5]。要實(shí)現(xiàn)高性能的有源、無源器件全集成還需要在光電集成工藝和材料上進(jìn)一步研究。

4 結(jié)束語

本文綜述了可編程微波光子芯片的研究現(xiàn)狀，介紹了其光路拓?fù)?、主要?shí)驗(yàn)結(jié)果，展示了其在微波光子系統(tǒng)中的巨大應(yīng)用潛力；介紹了其關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，并總結(jié)了可能的發(fā)展方向。若將可編程芯片用于射頻收發(fā)系統(tǒng)將可以實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)射頻前端，根據(jù)用戶需求定義射頻前端的功能，增加其通用性。目前，可編程微波光子芯片可以實(shí)現(xiàn)多種信號處理功能，但其具體性能還有待進(jìn)一步提升，還需要在擴(kuò)大集成規(guī)模，智能控制，有源、無源器件混合集成等方面繼續(xù)深入研究。