面向可编程硅光处理器的8通道CMOS实时控制芯片研究

《IEEE Open Journal of Circuits and Systems》：A Low-Power Single-Ended SAR ADC With Energy-Efficient Differential Switching for Ultrafast X-Ray Imagers

本文报道了一种专为硅光处理器实时控制设计的8通道CMOS专用集成电路。该芯片通过抖动反馈技术实现对马赫-曾德尔干涉仪(MZI)工作点的自主稳定，解决了光路漂移和大气湍流补偿等关键问题。实验证明该系统可在10ms内完成16通道自适应接收器的重配置，成功恢复50Gbit/s自由空间光通信链路。这项研究为大规模可编程光子集成电路的电子控制层提供了高能效、小尺寸的集成解决方案。

　　

在光通信技术快速发展的今天，可编程硅光子集成电路(PIC)因其能够直接在光域实现线性运算而备受关注。这种架构具有带宽大、损耗低、串扰小等优势，在高速通信、人工智能计算和量子信息处理等领域展现出巨大潜力。然而，要实现这些复杂光子电路的实际应用，必须解决一个关键挑战：如何实时控制和稳定大量光学元件的工作点。环境温度波动、器件老化，以及在自由空间光通信(FSO)中难以避免的大气湍流效应，都会导致光路性能的显著劣化。

传统上，研究人员采用基于现场可编程门阵列(FPGA)的分立元件解决方案来控制光子电路，但随着电路复杂度的增加，这些方案在面积和功耗方面的局限性日益凸显。当光子芯片包含数十个需要独立控制的光学元件时，外部控制系统的体积和能耗甚至可能超过光子芯片本身，这严重制约了可编程光子集成电路的实际应用和商业化进程。

针对这一技术瓶颈，意大利米兰理工大学的研究团队在《IEEE Open Journal of Circuits and Systems》上发表了一项创新研究，提出了一种完全集成的CMOS控制芯片解决方案。他们开发了一款包含8个独立通道的专用集成电路(ASIC)，每个通道都能围绕一个集成光子干涉器件闭合反馈控制回路。这种芯片级解决方案在尺寸和功耗上与目标光子电路相当，为实现紧凑型电子-光子协同设计铺平了道路。

研究人员采用了几项关键技术方法来实现这一目标。他们设计了宽动态范围模拟前端，结合可变增益跨阻放大器(TIA)和门控积分器(GI)，能够检测低至1nA的光电流；开发了基于数字抖动(dithering)的锁相检测技术，通过提取马赫-曾德尔干涉仪(MZI)传递函数的一阶导数信息来实现工作点稳定；集成了12位数模转换器(DAC)和平方根压缩电路，线性化了热执行器(heater)的电压-相位响应；最终在350nm CMOS工艺上实现了整个控制系统，单个通道功耗仅10mW。

芯片架构与设计原理

该ASIC控制器采用模块化设计，每个控制通道包含三个主要部分：模拟前端负责光信号检测，数字逻辑实现控制算法，驱动电路控制热执行器。模拟前端采用自适应增益设计，通过自动调整反馈电阻R_F或输入电阻R_G，使系统能够处理跨越六个数量级(1nA至1mA)的光电流信号，等效于增加了10位的分辨率。数字逻辑部分实现了完整的抖动控制算法，包括锁相检测、积分控制器和平方根近似计算。驱动电路采用分段式R-2R DAC结构，确保单调性同时减小面积开销。

反馈环路分析与稳定性

研究团队建立了完整的控制系统数学模型，分析了环路增益和稳定性。控制系统本质上是一个带有无限直流增益的积分器，其带宽由抖动幅度和数字积分器增益共同决定。通过测量MZI在最小工作点附近的二阶导数，量化了光电转换增益G₃≈530mW/rad2。实验证明，控制系统能够在300Hz带宽内有效抑制外界扰动，满足大多数实际应用需求。

芯片性能表征结果

制造后的芯片测试显示，模拟前端在全部增益配置下均保持≥1MHz带宽，自动增益控制能将50nA至500μA的输入电流精确映射到ADC满量程范围。DAC的微分非线性(DNL)被成功控制在±1LSB以内，保证了单调性。平方根近似算法有效线性化了热执行器的功率-相位响应，使MZI的电光传输函数更接近理想正弦曲线。

自由空间光通信实验验证

研究人员构建了完整的实验系统验证芯片在自由空间光通信中的应用价值。通过空间光调制器(SLM)模拟静态相位扰动，以及热风枪产生动态湍流效应，模拟真实大气信道条件。实验结果表明，控制系统能够在10-15ms内将16通道二进制树形网格从随机初始状态收敛到最优配置，使输出光功率提高约23dB。在25Gbit/s 2-PAM和50Gbit/s 4-PAM调制下，控制系统能有效补偿相位扰动，恢复清晰的眼图 opening，误码率(BER)达到4.68×10^-10。在动态湍流条件下，系统能将输出光功率的标准偏差从0.34dB降低到0.12dB，显著提高了通信链路的稳定性。

研究结论与展望

这项研究成功演示了一种完全集成的CMOS控制方案，用于可编程硅光子处理器的实时重配置和稳定。与基于FPGA的分立解决方案相比，该ASIC在功耗和尺寸方面具有明显优势，为大规模光子集成电路的实用化提供了关键技术支撑。实验证明，该系统不仅能补偿缓慢的环境漂移，还能有效对抗带宽为几百赫兹的大气湍流效应，在自由空间光通信领域具有直接应用价值。

尽管当前设计主要针对二进制开关操作进行了优化，但研究团队指出，该架构可扩展支持更复杂的光学功能，如任意相位和幅度设置，为光学计算和矩阵运算等应用奠定基础。未来通过采用更先进的CMOS工艺节点，进一步缩小数字电路面积，有望实现每个电子通道与对应光子器件面积的匹配，最终达成电子-光子三维集成的理想目标。

这项工作的重要意义在于，它首次实现了完全集成的多通道并行控制解决方案，消除了可编程光子集成电路规模化应用的主要障碍。随着光子芯片复杂度的持续增加，这种高能效、小尺寸的控制方案将成为构建下一代光通信、光计算和光传感系统的关键使能技术。