光学FPGA：是怎样设计和工作的？

shuszhao

基于锗离子注入的硅波导工艺和激光退火工艺，他们实现了可擦除的定向耦合器，进而实现了可编程的硅基集成光路，也就是所谓的光学FPGA。

这篇笔记主要分享硅光芯片的一篇最新进展。英国南开普敦大学Reed研究组最近在arXiv贴出了一篇硅光的研究进展 arXiv 1807.01656, “Towards an optical FPGA - Programmable silicon photonic circuits“。基于锗离子注入的硅波导工艺和激光退火工艺，他们实现了可擦除的定向耦合器，进而实现了可编程的硅基集成光路，也就是所谓的光学FPGA。
集成电路中的FPGA(field programmable gate array), 即现场可编程门阵列。FPGA内部是一些基本逻辑单元，工程师可根据需要，将这些逻辑单元按特定的方式连接起来(烧录)。FPGA的功能可根据设计者的需求而改变。其设计周期短，开发费用低，风险较小。
光学FPGA的出发点是类似的，希望构建一些基本的逻辑单元阵列，用户可根据自身需求定义其功能。光芯片的基本单元是定向耦合器(directional coupler， 以下简称DC)。因而如何实现DC分光比的动态可调节，是需要解决的关键问题。典型的做法是以两个3dB的DC构成一个Mach-Zehnder干涉仪，在干涉仪的一条臂上通过热效应调节相位，进而达到分光比的动态调节，如下图所示。该方法需要额外的功率输出，当DC的数目增大时，功耗也相应增大。另外该方法中单个逻辑单元需要两个DC, 浪费了较多的芯片面积，增大了产品成本。

                               
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（图片来自ntt-review）
Reed研究组采用Ge离子注入的办法制备波导，该波导可通过激光退火的方法擦除。其制备艺与可擦除的光栅耦合器(硅光芯片的晶圆级测试)相似。Ge离子注入后，硅的晶格发生位移，引起波导有效折射率的改变。Ge离子注入后的波导，结构示意图如下图所示，Ge离子的注入深度约140nm。

                               
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（图片来自文献1）
借助于Ge离子注入波导，研究人员提出了两种分光比可调的定向耦合器结构，如下图所示。

                               
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（图片来自文献1）
左图是正常DC中的一根波导由注入波导代替，右图是在两根普通波导中间插入一根注入波导，借助其实现光场的耦合。红色区域为注入波导，其耦合区域的长度可以通过激光退火的方法进行改变，进而达到对分光比的调节，如下图所示。激光束在注入波导区域来回扫描，可逐步减小注入波导的长度，进而导致drop端口的能量减小。

                               
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（图片来自文献1）
以此DC为基础，研究人员进一步演示了1x4和2x2的光开光，如下图所示，

                               
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（图片来自文献1）
其中1x4的光开关由三个DC构成，2x2的光开光由四个DC构成。这些DC的分光比都是可调节的，通过改变分光比，光场可以从不同端口输出，对应不同的逻辑门操作。
研究人员进一步提出了一个较复杂的集成光路结构，通过DC分光比的改变，该光路可分别实现PSM4, WDM4和QAM的发送光路，如下图所示，

                               
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（图片来自文献1）
最初的光路如图a所示，改变MUX前端的DC分光比，使得光场不经过MUX，直接到输出端，对应为PSM4；光场经过MUX, 再传输到单个GC输出端，对应为WDM4; 选取两组MOD, 控制好它们间的相对相位为pi/2，就可以实现QAM编码。该光路设计非常巧妙，fab只需提供给用户类似图a的光芯片，然后用户再根据自身需求，自定义逻辑功能，也就是实现所谓的光学FPGA。由于出厂芯片里的光路一致，不需要额外定制，光芯片的成本也相应地降低。
总体说来，该进展的设计非常巧妙，借助于可擦除DC，实现了可编程的集成光路。这也许是未来集成光路的一个重点发展方向。但是目前来看，该方案的损耗还比较大，普通波导和注入波导的转换损耗接近1dB, 其传输损耗也大于一般硅波导的传输损耗。当多个DC组成逻辑阵列时，这么大的损耗显然会影响其进一步的应用与推广。当务之急是进一步改进工艺，实现较低的损耗，进而实现较复杂的逻辑阵列。

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