《Laser & Photonics Reviews》：General-Purpose Hexagonal Programmable Photonic Integrated Circuit with a >30 GHz Free Spectral Range
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本文报道了一种基于7单元六边形波导网格的可编程光子集成电路（PIC），其核心光学单元为2×2马赫-曾德尔干涉仪（MZI）门。得益于采用局部微雕加热器，该光学门实现了0.28 dB/门的低插入损耗和5.5 ps的短光学延迟，从而构建出紧凑的电路结构，使得由6个门构成的环形谐振器获得了31 GHz的大自由光谱范围（FSR）。文章通过演示光束分束器、波长复用器和波长滤波器等应用，凸显了该电路的优越性。为进一步扩大FSR，文章还展示了Vernier环和双注入环结构，将FSR提升至93 GHz。这项工作为大规模、高性能可编程PIC的研发提供了关键技术支撑。
引言
受益于工业CMOS技术的成熟，硅光子集成电路（PIC）已广泛应用于数据通信、传感和信息处理等诸多领域，其构建模块的数量和功能复杂性稳步增长。为加速这些PIC应用的研发（R&D）进程，亟需能够快速原型化新功能的开发工具，而无需经历耗时的代工厂制造流程。这类工具将扮演类似于现场可编程门阵列（FPGA）在可编程数字电子硬件中的角色。过去十年间，一种新型的可编程PIC应运而生，它由片上波导的光学网络构成，其中光学路径可通过可调耦合器和相位调制器重新排列。通过这种方式，PIC的功能可以通过电子学层以软件方式进行改变。
PIC的性能通常易受制造偏差的影响，因此主动调谐器常被用于补偿PIC的缺陷或调谐传输响应。可编程PIC在此基础上更进一步，利用主动调谐器来完全配置电路的功能。其中一类特定的可编程电路采用循环网格架构实现，其中光学门以环形拓扑排列。通过这种方式，各种功能，如采用马赫-曾德尔干涉仪（MZI）或环形谐振器的光分配网络和波长滤波器，可以被编程到这种通用光子电路中。与FPGA类似，这对于加速新PIC的开发极为有益。
由于此类循环网格电路更为通用，其占地面积通常大于典型的专用PIC，且光在传输过程中会经过更多的独立构建模块，导致更长的光学路径。因此，光学门需要在多个特性上表现优异，包括低串扰、低插入损耗和低功耗。此外，它们还需要具有短的光学长度，以便足够紧凑，从而能够实现具有大自由光谱范围（FSR）的干涉式光学滤波器配置。
电路设计
本文描述的可编程PIC基于六边形循环波导网格拓扑。如图1a所示，该电路由七个六边形单元构成，每个六边形单元的每条边上放置一个光学门。图1c展示了该电路的光学版图。该电路总共包含42个光学门，每个光学门均实现为平衡臂MZI，如图1b所示。MZI本身由两个多模干涉仪（MMI）构成，每个臂上各有一个热光相位调制器，总计84个驱动调谐器。热光相位调制器采用局部微雕的掺杂硅相位调制器实现。该芯片在IMEC的iSiPP200工艺中制造，制备完成的芯片如图1e所示。
通过向每个门中的两个相位调制器提供电功率，可以改变MZI两个臂上的相位响应，从而调谐光学门的强度和相位响应。通过调谐每个门中两个相位调制器的差分相位，门的功率耦合比可以在0（直通态）到1（交叉态）之间完全改变；同时，通过同时驱动两个相位调制器的共模相位，门的相位响应也可调谐。
为确保电路的结构均匀性，每对门之间的连接波导具有相同的光学长度。每个六边形单元具有相同数量的连接波导和光学弯曲，这将导致不同六边形单元具有等效的往返损耗。该电路有24个光学输入/输出端口，通过光栅耦合器连接光纤阵列进行访问，如图1d所示。相位调制器的键合盘通过引线键合连接到印刷电路板（PCB），并连接到多通道电流驱动器。为编程电路功能，使用Python软件库来定义电路配置、可视化示意图并控制多通道电流驱动器，以向芯片上的目标光学门输送所需的电功率。
测量与校准
为方便访问电路的24个光学端口并进行测量，使用光学开关（Polatis 6000i）将封装好的可编程电路的光纤阵列连接到不同的测量仪器，如可调谐激光器（SANTEC TSL-550）、功率计（HP 81532A）和光学矢量分析仪（LUNA OVA 5000）。用于可编程PIC中相位调制器的驱动电流由自制的多通道电流源提供。光学电路放置在温控器（TEC）上以保持稳定的环境温度。所有仪器均由计算机通过Python脚本自动控制。整个测量设置的示意图如图2所示。利用该测量设置，可以对可编程PIC进行编程，并测量电路任意两个端口之间的光学传输或频率响应。
理想情况下，平衡臂MZI的初始状态是完美的交叉态，且热光相位调制器具有相同的电学、热学和光学响应。由于制造偏差，每个光学门的初始状态并非完美的交叉态，且每个门的热光效率也会有所不同。为精确控制每个光学门的耦合比和共模相位偏移，需要对电路中所有的相位调制器进行精确校准。校准过程包括：测量待校准光学门的传输曲线，提取相位偏移与驱动电压/电流之间的关系，并对电路中所有光学门的两个相位调制器重复此过程。校准后，光学门可以被初始化为交叉态，以减轻寄生效应的影响。
光学门特性表征
作为可编程电路的基本构建模块，平衡臂MZI由两个50:50分束的MMI和两个热光相位调制器构成。所使用的MMI全长53 μm，微雕热光相位调制器的长度为58 μm，两个相位调制器之间的距离设置为100 μm以符合微雕设计规则，加上MMI与相位调制器之间的波导弯曲以及不同门之间的连接波导，门的物理长度为403 μm。
为提高热调谐效率，每个热光相位调制器均采用局部微雕。这些相位调制器实现为掺杂硅相位调制器，其电阻对局部温度有很强的依赖性。由于微雕结构，热耗散被限制在较小体积内，相位调制器可达到高温（数百摄氏度）。因此，加热器具有非常非线性的I-V响应，其电阻随驱动电流的增加从1020 Ω非线性增加到1660 Ω，如图3a所示。尽管电阻存在非线性，光学相位偏移仍与驱动电功率保持线性关系。如图3b所示，电路中使用的84个热相位调制器的平均热效率为7.8 ± 0.4 mW/π。
光学门的消光比是衡量其性能的重要指标。以一个光学门为例，测量得到的直通端口消光比可达40 dB，交叉端口消光比可达52 dB，如图3c所示。这些消光比对应于MMI的49.6:50.4分束比，非常接近理想的50:50。在C波段附近100 nm波长范围内进行的测量表明，直通端口消光比在35 dB以上，交叉端口消光比保持在50 dB左右，表明该电路中的光学门能够在宽波段实现高消光比的直通或交叉状态。直通端口的消光比在较长波长处有所下降，这与MMI的分束比偏离50:50有关。通过使用多级MZI补偿MMI的缺陷可以获得更高的消光比，但代价是更长的物理门长度和更高的光学延迟。
配置路径的总插入损耗随路径中光学门数量的增加而线性增加，因此希望光学门具有低插入损耗。在波导平均插入损耗为常数的前提下，这要求光学门具有短的光学长度。此外，更短的光学门也会导致更小的群延迟，这有助于在滤波器配置中获得更大的FSR，或在定义光学延迟线时获得更小的时间域分辨率。通过配置包含不同数量光学门的各种光学延迟线，测量了插入损耗和群延迟。结果显示，单个光学门的插入损耗为0.28 dB，群延迟为5.5 ps/门。
环形谐振器特性
由六个光学门构成的单个六边形单元形成了最紧凑的环形配置。自由光谱范围（FSR）和品质因子（Q因子）在许多应用中起着重要作用。如图5a所示，将五个光学门调谐到直通态，另一个调谐到部分耦合态。该环形配置的传输响应如图5b所示，测得的环形FSR为0.25 nm，对应于31 GHz的频率范围。在临界耦合状态下，半高全宽（FWHM）为30 pm，计算得到的Q因子约为52,000。由于Q因子由环形谐振器的总往返损耗决定，由此反推得到的平均单门损耗为0.27 dB，与上述延迟线测量结果吻合良好。
应用演示
光学分束器：由于光学门可以在两个输出端口之间提供任意的分束比，可以通过在分束树配置中级联多个光学门来合成光学分束器。在可编程芯片上配置了包含三级1×8光学分束器的结构。每级提供50:50的分束比，通过确保每条路径中具有相同数量的光学门来平衡光学路径。从输入端口到八个输出端口的传输光谱显示，每个通道的总光学传输损耗约为-10 dB，与测量结果吻合良好。各通道间插入损耗的差异主要由测量连接链路的差异引起。
三通道复用器：对于上下载环形配置，特定波长下的光学传输由环的往返相位响应和环中两个耦合门的耦合比决定。通过顺序级联上下载环，可以构建用于波分复用应用的三通道波长复用器。为最大化上下载通道的消光比并最小化插入损耗，优化了环与总线波导之间的耦合比以及上下载波导的耦合比。通过调整环的往返相位来调谐上下载通道的波长。传输曲线显示了在输入端口到输出端口的频谱范围内一个FSR内的三个下载通道，以及从三个添加端口到输出端口的三个添加通道。
光学滤波器：光学滤波器使得能够操纵调制到不同波长上的光学信号，在各种光子应用中扮演重要角色。最常用的光学滤波器结构可分为有限脉冲响应（FIR）滤波器和无限脉冲响应（IIR）滤波器两类。本文演示了两种滤波器配置：作为FIR交织器的MZI晶格滤波器和作为IIR可调带通滤波器的耦合双环滤波器。
MZI晶格FIR滤波器：该滤波器由两级MZI构成，第一级MZI具有两个门的光学延迟长度，第二级具有四个门的光学延迟长度，使其成为三阶滤波器。通过设置连接门的耦合比和调谐每级中两臂之间的相位差，将该滤波器配置为平顶交织器，每个输出端口的通带宽度为FSR的一半。两个端口的传输光谱均衡，滤波器的插入损耗约为3 dB，阻带消光比大于20 dB。
IIR滤波器：通过并联两个或多个环形谐振器，可以配置耦合环滤波器。与具有相同阶数的前馈MZI晶格滤波器相比，耦合环滤波器具有更陡峭的滚降特性。通过调整耦合比和环间的相位关系，可以调谐通带的带宽和中心波长。演示了通带带宽从0.1 FSR（3 GHz）到0.3 FSR（9 GHz）可调的可调带通滤波器。当通带带宽较小时，阻带消光比增加，但代价是更高的插入损耗；当通带带宽较大时，插入损耗降低，但消光比减小。
FSR提升技术：FSR是滤波器配置的重要特性，它决定了光学滤波器的最大可调带宽，并由构成滤波器电路的单光学门的群延迟决定。本文展示的单六边形环单元的FSR为31 GHz，是均匀通用可编程PIC中报道的最大值。通过采用Vernier环配置和双注入环配置，可以进一步提升FSR。
Vernier环滤波器：该滤波器使用两个具有不同FSR的耦合环形谐振器。第一个环的往返长度为6个门，第二个环为10个门，滤波器的总FSR为93 GHz。测量得到的Vernier滤波器FSR为93 GHz，符合预期，是单环FSR的三倍。阻带消光比约为7 dB，通带插入损耗约为8 dB，两者均受限于Vernier环滤波器中的往返损耗。
双注入环滤波器：在该配置中，输入光学信号被分成两条光学路径，两部分光信号被注入到同一个环中，具有群延迟和相位延迟。这种双注入环电路作为IIR滤波器，具有更高的滚降特性。通过调整输入信号的分束比、两条路径之间的相位延迟以及与环的耦合比，可以调谐滤波器响应。演示的双注入环结构的两条注入光学路径具有两个光学门的光学路径长度差，导致传输响应中的FSR为0.75 nm，与测量的滤波器响应吻合。通过调谐强度耦合，实现了具有16 dB消光比的带通滤波器响应。通过级联更多级的双注入环，可以实现更高消光比的传输响应，但代价是更高的插入损耗。
讨论与总结
本文展示了一种在IMEC iSiPP200平台上制造的通用可编程PIC，并配备了驱动电子学和控制软件层。光学门是网格的基本构建模块，其特性决定了可编程PIC的性能。本文演示中，光学门的品质因子（如插入损耗、光学延迟长度、热效率和两端口的消光比）均经过优化以提升网格电路性能。采用微雕加热器将平均热效率提升至7.8 mW/π。结合优化的MMI，光学门同时具有低插入损耗和短光学长度，从而实现了紧凑的可编程光子电路结构。当前，门插入损耗为0.28 dB/门，物理长度为403 μm，可实现分辨率为5.5 ps的可调光学延迟或FSR为31 GHz的环形配置。文章通过多种应用演示了该门对可编程PIC的优越性。为满足实际应用中对更大FSR的需求，文章展示了通过Vernier环或双注入环配置来克服单环单元FSR的基本限制，将FSR提升至93 GHz，是单环单元的三倍。
与近期发表的其他可编程PIC相比，本工作中的光学门具有最小的平均插入损耗和最短的时间延迟，这转化为单个网格单元更大的FSR。利用具有不同往返长度的耦合环的Vernier效应，可以有效地将FSR增强三倍。热光相位调制器的热效率仍有提升空间，潜在的途径包括用其他功率效率更高的相位调制器（如MEMS或液晶）替代。光学门的紧凑物理长度可通过用更紧凑的方向耦合器（DC）替代MMI来进一步优化。
总之，本文提出了一种紧凑的7单元六边形循环波导网格实现方案，其2×2光学门针对短群延迟进行了优化，使得能够实现FSR高达93 GHz的FIR和IIR滤波器电路，这对应于滤波器干涉结构中的两个光学门的延迟长度。
