面向可重构光子集成电路的动态自配置集成电子控制器研究

《Light-Science & Applications》：Integrated electronic controller for dynamic self-configuration of photonic circuits

为解决复杂光子集成电路(PIC)实时配置中电子控制层的可扩展性问题，意大利米兰理工大学研究团队开发了一款专用集成电路(ASIC)控制器。该研究通过16通道硅光子自适应通用光束耦合器(UBC)实验验证，实现了50 Gbit/s自由空间光通信的动态波前畸变补偿，为大规模可编程光子处理器提供了低功耗(＜10mW/通道)、紧凑型(12mm2)控制方案。

　　

随着光子集成电路(PIC)复杂度的不断提升，动态可重构光子处理器已成为全光信号处理领域的研究热点。这类芯片能够通过马赫-曾德尔干涉仪(MZI)或微环谐振器(MRR)等基本单元实现光路由的重构，广泛应用于可重构滤波器、微波光子学、量子信息处理等前沿领域。然而，要实现数百个光学元件的实时精准控制，传统基于现场可编程门阵列(FPGA)的分立元件控制方案面临体积庞大、功耗高等瓶颈，严重制约了其实际应用潜力。

为突破这一技术壁垒，米兰理工大学团队在《Light: Science & Applications》发表的研究工作中，提出了一种集成化电子控制新范式。该研究首次实现了完全集成的多通道ASIC控制器，其核心创新在于将每个光子器件的传感器读取、模数转换(ADC)和驱动器功能集成于单芯片，通过并行本地反馈环路实现无需预校准的实时控制。尤为重要的是，该控制器功耗(10mW/通道)低于单个热光相位调制器(30mW/2π)，尺寸(12mm2)与典型PIC芯片相当，为大规模光子处理器提供了可行的控制解决方案。

研究团队采用AMS CMOS 0.35μm工艺制备的8通道ASIC芯片，集成了自适应增益调节的前端电路(支持50dB光功率动态范围)和数字域抖动(dithering)控制算法。通过平方根运算器线性化热驱动器响应，配合12位数模转换器(DAC)实现1.5mV电压精度控制。关键技术方法包括：基于二进制树结构的16通道MZI网格设计、集成锗光电探测器(PD)的光功率监测系统、正交抖动信号的双通道控制逻辑（适用于MZI双加热器调控）以及室内3米自由空间光链路实验平台构建。

集成CMOS控制器架构

ASIC采用8通道并行架构，每个通道包含跨阻放大器、门控积分器和10位ADC(采样率100 kSamples/s)，通过自适应增益机制覆盖0至-50dBm光功率检测范围。数字控制部分采用锁相环技术结合积分控制器，通过平方波调制解调提取误差信号，实现对光子器件工作点的精准锁定。驱动电路可输出0-6V电压，满足热光相位调制器4π相移需求。

16通道自对准通用光束耦合器

实验采用4级二进制树状网格结构的硅光子UBC，包含15个热调谐MZI和16元光学天线阵列(OAA)。天线采用双层同心圆环布局(内环7个光栅耦合器(GC)，外环8个GC)，通过波导存根匹配光路长度。当同时激活16个控制环路时，系统在10ms内完成全网格配置，各阶段MZI依次收敛，最终实现输出光功率最大化。

波前畸变的动态校正

通过空间光调制器(SLM)引入静态相位畸变时，ASIC控制使UBC输出光功率从平均-5.7dB提升至-0.8dB，标准差由2.9dB降至0.6dB。在热枪模拟动态湍流实验中，激活控制的系统输出功率分布集中在高功率区(-0.17dB均值)，90%样本高于-0.3dB阈值，而关闭控制时仅1%样本达标。频谱分析显示控制器有效抑制300Hz以下扰动分量。

ASIC辅助自适应自由空间光接收

在25Gbaud强度调制实验中，控制器使非归零码开关键控(NRZ-OOK)信号的眼图质量因子达到6.12，50Gbit/s四级脉冲幅度调制(PAM-4)信号重构效果显著提升。验证了控制系统对调制格式和速率的无关性，为高速自由空间光通信提供了可靠接收方案。

该研究通过芯片级集成控制方案，成功解决了可编程PIC向大规模扩展的核心瓶颈。ASIC控制器400Hz的闭环带宽优于大气湍流典型动态特性，为自由空间光通信、传感和测距应用提供了技术基础。研究同时指出，通过采用更先进CMOS工艺节点、非热致动器（如电光或光机械相位调制器）以及3D集成封装，可进一步优化系统功耗与集成度。这项成果标志着光子集成电路控制技术从实验室走向实用化的重要突破，为下一代全光信号处理系统奠定了硬件基础。