IEEE SiPhotonics2025 | 自适应时分复用控制硅基光子相干加法器

引言

可编程光电子集成芯片（PIC）代表着一种前沿技术，在光计算和互连应用方面具有重要潜力。然而，大规模PIC的发展面临一个基本挑战：随着系统复杂度增加，光子组件与外部控制单元之间所需的电气连接数量增长过快。对于使用干涉仪网格的PIC，自适应操作和可重编程性所需的光传感器和执行器数量与线路复杂度直接相关，可能需要数百个电气连接。

近期研究集中在将光子和电子功能集成在同一芯片上以解决这一限制。这种集成策略在保持对光子功能精确控制的同时，最小化了外部连接。De Gaetano等人的研究通过使用商业硅基光电子平台上单片集成的CMOS电子线路，展示了自适应时分复用控制硅基光子相干加法器的优雅解决方案[1]。

1系统架构与实现

系统核心是作为相干加法器的可编程马赫-曾德尔干涉仪（MZI）网格。芯片集成了光子组件和电子控制线路，如图1所示。设计中在二叉树加法器结构的每个MZI中集成了专用传感器（锗光电二极管）和热执行器（相移器）。

图1. a）光子芯片的示意图，集成了相干加法器、电子多路复用器、采样保持线路和加热器驱动电路。b）芯片照片。c）顺序控制多个相移器的时分复用驱动算法。

为了最小化外部连接，芯片采用了一个片上多路复用器（MUX），顺序读取集成传感器并将其信号传送到单一采集线路。类似地，一个解复用器（DEMUX）顺序驱动MZI执行器。一个关键创新是连接到热执行器驱动器的采样保持（S&H）线路，在DEMUX切换操作期间维持MZI工作点。

S&H线路利用DEMUX开关配合存储电容器组（每个10 pF）在采样期间存储执行器命令。在保持阶段，这些片上电容器维持未选择执行器的操作，确保热执行器即使在未被多路复用器主动选择时也能稳定、非易失性地工作。

时分复用控制方案以156 kHz的切换频率操作MUX和DEMUX，使每个通道以约10 kHz的频率被采样。这一采样率足以进行有效的控制操作。为自动校准每个MZI，系统采用2 kHz的抖动技术。基本控制逻辑—包括串行化、解串行化、抖动提取滤波器和时分复用逻辑—通过外部电子板上的FPGA实现。

2系统运行与性能

相干加法器接收来自1550 nm激光源的光，由外部1:4光纤分光器均匀分配并通过光栅耦合器（GCs）耦合到MZI网格的四个输入端口。四束光首先由两个作为光开关的MZI级（第1级和第2级）路由，然后由实现相干加法器的4x1 MZI网格（第3级和第4级）求和。输出功率通过输出GC耦合出去，每个MZI输出集成了锗光电二极管用于实时监测。

图2展示了系统的收敛和性能特性。当自动配置过程开始时，所有MZI的工作点被随机设置。然后反馈环路调整应用于相移器的电压，以最小化光电二极管电流，从而最大化输出端口的光功率。

图2. a）在设置随机驱动电压后激活控制环路期间的光电二极管电流瞬态响应。b）网格输出端25 Gbit/s调制信号在控制激活前后的眼图。

每个单独MZI的收敛过程仅需几十毫秒，整个PIC配置在不到50 ms内完成。这种快速配置展示了时分复用控制方法的效率。

通过数据传输实验进一步验证了自动化时分复用控制的有效性和稳定性。没有主动控制时，相干加法器对输入光束相位的时变变化敏感，这些变化由温度波动、声学噪声和输入光纤振动引起。这些效应严重降低了输出信号质量，完全闭合了25 Gbit/s强度调制信号的眼图。然而，当激活控制环路时，相位漂移被完全补偿，产生开放良好的眼图，质量因子Q为8.06。

3优势与未来展望

所展示的时分复用控制方法为可编程硅基PIC提供了几个显着优势。首先，它不需要对商业硅基光电子平台进行修改，实现零变更实施。其次，它大大减少了复杂光子线路所需的电气I/O数量，促进了向更大芯片的可扩展性。

电子多路复用器和存储器件的集成在最小化外部连接的同时保持了有效的反馈控制。这种方法对于原本需要数百个控制信号的大规模可编程光子线路特别有价值。

对于未来应用，这项技术支持更复杂的光子处理系统用于光计算、电信和互连应用。准确补偿和锁定相位漂移的能力对相位稳定性直接影响性能的相干光学系统至为重要。所展示的方法代表了实用、大规模可编程光电子集成芯片的重要一步。

硅基光子相干加法器的自适应时分复用控制展示了解决可编程光子线路扩展主要障碍的有效方案。通过对传感器询问和执行器控制使用时分复用，结合片上电子存储器，系统在最小化外部连接的同时实现了对相位漂移的准确稳定补偿。这种方法使可编程光电子集成芯片更接近光计算和互连系统的实用大规模应用。

参考文献

[1] S. De Gaetano, M. Crico, F. Zanetto, G. Ferrari, M. Sampietro, F. Morichetti, and A. Melloni, "Adaptive Time-Multiplexed Control of a Silicon Photonic Coherent Adder," in 2025 IEEE Silicon Photonics Conference (SiPhotonics).

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