劉高見，譚慶貴，于洪喜

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

微波光子技術(shù)將微波技術(shù)和光電子技術(shù)聯(lián)系起來，利用光子學(xué)大帶寬、低損耗等優(yōu)勢，可以克服傳統(tǒng)微波技術(shù)在處理速度和傳輸帶寬等方面的電子瓶頸，大幅度提高微波系統(tǒng)工作性能[1，2]。早期微波光子系統(tǒng)多使用分立器件，受到了成本高、體積大、系統(tǒng)復(fù)雜度高、功耗大，易受環(huán)境影響的制約，大規(guī)模應(yīng)用受到了限制。

近些年隨著集成光子技術(shù)的飛速發(fā)展，微波光子技術(shù)也在向著集成化、芯片化的方向發(fā)展，極大地降低了系統(tǒng)的體積、功耗和重量[3-5]。目前，集成微波光子技術(shù)的研究主要集中于專用光子集成電路(Application Specific Photonic Integrated Circuits，ASPICs)，即一個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定的微波光子信號(hào)處理功能，如濾波器[6，7]、延遲線[8]、光電振蕩器[9]等。ASPICs靈活性較差，若想改變相應(yīng)的信號(hào)處理功能就需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，耗時(shí)長，成本大。受到數(shù)字信號(hào)處理芯片(Digital Signal Processors, DSPs)和可編程門陣列(Field Programmable Gate Arrays, FPGAs)的啟發(fā)，近幾年許多學(xué)者開始關(guān)注可編程微波光子芯片的設(shè)計(jì)。它基于可重構(gòu)的集成光波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，通過適當(dāng)?shù)木幊炭刂瓶梢詫?shí)現(xiàn)多種信號(hào)處理功能[10-14]。這種可編程芯片相比于ASPICs可以極大地降低硬件生產(chǎn)的成本，并且具有更好的靈活性。

目前通信、雷達(dá)系統(tǒng)在向著大帶寬、高頻、多頻段的方向發(fā)展，對射頻前端提出了更高的要求。在射頻前端中使用可編程微波光子芯片，可以軟件定義出工作在不同頻段的濾波器組，同時(shí)濾波器組的中心頻率和帶寬均可以根據(jù)接收信號(hào)的變化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。若在接收信號(hào)附近出現(xiàn)了強(qiáng)干擾信號(hào)，還可以軟件定義陷波或帶阻濾波器，抑制相應(yīng)干擾。同時(shí)還可以軟件定義光路，將攜帶射頻信號(hào)的信號(hào)光與不同頻率的本振光合路，經(jīng)光電探測后實(shí)現(xiàn)不同頻段下變頻，或變頻轉(zhuǎn)發(fā)功能。這些不同的信號(hào)處理功能均可在同一塊可編程芯片的不同部分實(shí)現(xiàn)，并用路由波導(dǎo)連接起來，構(gòu)成射頻前端。使用可編程微波光子芯片設(shè)計(jì)的射頻前端，可以根據(jù)實(shí)際電磁環(huán)境進(jìn)行重構(gòu)，增加或改變特定功能模塊，具有很強(qiáng)的靈活性。而使用ASPICs設(shè)計(jì)的射頻前端一旦系統(tǒng)架構(gòu)確定，難以再增加或改變特定功能模塊。因此，可編程微波光子芯片可廣泛用于通信、雷達(dá)等光電子系統(tǒng)中以增加系統(tǒng)靈活性，適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的電磁環(huán)境。

文章介紹了可編程微波光子芯片的光路拓?fù)浜椭饕δ?，隨后介紹了其關(guān)鍵技術(shù)——可調(diào)節(jié)單元和控制方法的發(fā)展，最后對可能的發(fā)展方向進(jìn)行了總結(jié)。

1 可編程光波導(dǎo)網(wǎng)格

可編程微波光子信號(hào)處理的概念最早是由瓦倫西亞理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出的[10，15]，它的可重構(gòu)光學(xué)信號(hào)處理核心是由光學(xué)路由和開關(guān)元件連接的環(huán)形諧振器(Ring Resonator，RR)、馬赫-曾德爾干涉結(jié)構(gòu)(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)、光柵或延遲線等光學(xué)器件組成的，通過外加控制信號(hào)改變內(nèi)部光學(xué)器件的連接狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)不同的信號(hào)處理功能。

為了進(jìn)一步增加可重構(gòu)功能的靈活性，近年來大量學(xué)者選擇使用波導(dǎo)網(wǎng)格作為通用基本單元，通過可調(diào)耦合器改變波導(dǎo)網(wǎng)格的連通方式，實(shí)現(xiàn)不同路徑的選擇，并構(gòu)成不同尺寸的RR，MZI等基本光學(xué)器件以實(shí)現(xiàn)特定的信號(hào)處理功能。常用的波導(dǎo)網(wǎng)格拓?fù)淙鐖D1所示。

(a)六邊形 (b)三角形 (c)正方形

2015年莫納什大學(xué)Leimeng Zhuang首次提出了將MZI器件排布成正方形網(wǎng)格形狀的可編程微波光子信號(hào)處理芯片，如圖2所示[12]。該芯片使用Si3N4材料加工，主要由兩個(gè)正方形網(wǎng)格單元組成，基本單元長度為3450μm，群折射率1.72，其自由頻譜范圍(free spectrum range，F(xiàn)SR)為14GHz。通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)可調(diào)耦合器的相位，波導(dǎo)網(wǎng)格可以配置為上下路微環(huán)結(jié)構(gòu)或全通微環(huán)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)中心頻率1.6GHz-6GHz連續(xù)可調(diào)，帶寬1.6GHz范圍內(nèi)可重構(gòu)，帶外抑制25dB的帶通濾波器。通過改變波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的連接方式，該芯片還可以實(shí)現(xiàn)抑制比達(dá)55dB的陷波濾波器、希爾伯特變換器、可調(diào)延遲線功能。

(a)

(b)

(a) (b)

2016年瓦倫西亞理工José Capmany團(tuán)隊(duì)提出了六邊形和三角形兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并與正方形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了全面的對比。最終認(rèn)為六邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)最適合用來設(shè)計(jì)通用可編程微波光子信號(hào)處理芯片[16]。在此基礎(chǔ)上2017年該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)、加工了一款7個(gè)六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的可編程信號(hào)處理芯片[17]。通過改變波導(dǎo)的連通關(guān)系實(shí)現(xiàn)了20余種光路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中包括單輸入單輸出的FIR濾波器、環(huán)形諧振器、耦合波導(dǎo)諧振器(coupled resonator waveguide，CROWs)、側(cè)向耦合環(huán)形諧振器間隔序列(side-coupled integrated spaced sequences of optical resonators，SCISSORs)、加載環(huán)形諧振器的MZI、多輸入多輸出的線性光矩陣變換等。芯片結(jié)構(gòu)如圖3所示。2018年José Capmany團(tuán)隊(duì)又利用該六邊形網(wǎng)格芯片實(shí)現(xiàn)了離散型和連續(xù)可調(diào)型延遲線[18]。

圖4所示為綜合出的濾波器和波束形成網(wǎng)絡(luò)的實(shí)例。圖4(a)為一個(gè)CROW帶通濾波器(輸入IN，輸出OUT2)，調(diào)節(jié)其中一個(gè)微環(huán)的移相器，可以調(diào)節(jié)兩微環(huán)諧振器諧振峰的相對位置，從而展寬通帶帶寬。圖4(b)為雙環(huán)加載MZI濾波器，該結(jié)構(gòu)可以用于實(shí)現(xiàn)巴特沃斯或切比雪夫?yàn)V波器[19]。圖4(c)利用不同長度延遲線構(gòu)成的波束形成網(wǎng)絡(luò)。圖中相鄰路徑的長度差為3個(gè)基本調(diào)諧單元，延時(shí)差為40.5ps[13]。

(a)微環(huán)耦合型濾波器

(b)MZI加載微環(huán)濾波器

(c)波束形成網(wǎng)絡(luò)CS交叉狀態(tài)，BS直通狀態(tài)，AV可使用，TC可調(diào)耦合器，k耦合系數(shù)

經(jīng)典的六邊形、正方形、三角形拓?fù)渲?，可調(diào)耦合器有不同的放置方向，這會(huì)對加工的一致性有一定影響，同時(shí)網(wǎng)格中央有未利用的空余空間，面積利用率較低。為了解決這一問題，2020年瓦倫西亞理工大學(xué)Daniel Pérez López對波導(dǎo)網(wǎng)格的排布方式進(jìn)行了優(yōu)化，將所有可調(diào)耦合器單元均水平放置，如圖5所示。這可以提高加工可調(diào)節(jié)耦合器的一致性，同時(shí)提高芯片面積的利用率，降低芯片加工成本[20]。

(a) (b)

圖5 (a)原六邊形網(wǎng)格(b)調(diào)節(jié)單元水平放置的六邊形網(wǎng)格[20]

Fig.5 (a)hexagonal pattern and(b)the longitudinally-parallel mesh topology[20]

經(jīng)典的正方形拓?fù)渲泄庑盘?hào)不能直接通過交叉節(jié)點(diǎn)，必須轉(zhuǎn)彎90°繞行，進(jìn)行拓?fù)渲貥?gòu)時(shí)靈活性較差。2020年渥太華大學(xué)姚建平團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一款可編程微盤陣列(field-programmable disk array，F(xiàn)PDA)微波光子芯片，在每個(gè)交叉節(jié)點(diǎn)，光信號(hào)可以在直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)三個(gè)方向間任意選擇[21]。如圖6所示，該芯片由8條波導(dǎo)交叉排布構(gòu)成方形網(wǎng)格，每個(gè)波導(dǎo)交叉處為一個(gè)1×1多模干涉器以使光波低損耗、低串?dāng)_的通過。每個(gè)交叉點(diǎn)處設(shè)計(jì)有兩個(gè)相同的上下路型微盤諧振器，可以實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)網(wǎng)格路徑選擇，同時(shí)它本身作為諧振器可以實(shí)現(xiàn)光信號(hào)處理。在諧振頻率處微盤諧振器的直通端響應(yīng)為一陷波器，同時(shí)具有較大的群時(shí)延，而下路端響應(yīng)為一帶通濾波器?；诖?，通過調(diào)節(jié)各微盤諧振器諧振頻率該可編程芯片可以實(shí)現(xiàn)帶寬可調(diào)節(jié)帶通或帶阻濾波器，波分復(fù)用解復(fù)用器，微波延遲線和波束形成網(wǎng)絡(luò)。另外通過微盤諧振器對光脈沖進(jìn)行頻譜整形，再經(jīng)過色散光纖實(shí)現(xiàn)波長到時(shí)間映射(Wavelength to time，WTT)，利用該可編程芯片還可以實(shí)現(xiàn)任意波形產(chǎn)生的功能。

表1 可編程光波導(dǎo)網(wǎng)格對比

注：a21種功能包括FIR濾波器、環(huán)形諧振器、CROWs、SCISSORs、加載環(huán)形諧振器的MZI濾波器、多輸入多輸出的線性光矩陣變換等

以上是可編程微波光子芯片拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)功能的發(fā)展現(xiàn)狀。表1對幾種可編程光波導(dǎo)網(wǎng)格實(shí)例進(jìn)行了總結(jié)?？删幊滩▽?dǎo)網(wǎng)格可以實(shí)現(xiàn)豐富的信號(hào)處理功能，但是其性能還有待提升。為了提高信號(hào)處理的性能需要增大芯片規(guī)模，以實(shí)現(xiàn)更高階數(shù)的濾波器或更大的延時(shí)調(diào)節(jié)范圍。隨著芯片規(guī)模的增加，需要的可調(diào)節(jié)單元數(shù)量會(huì)大大增加，這會(huì)引入大量的損耗和功耗，同時(shí)芯片控制的復(fù)雜度也極大增加。因此，對可調(diào)節(jié)單元的優(yōu)化設(shè)計(jì)和可編程芯片的控制方法成為了高性能可編程微波光子信號(hào)處理芯片的關(guān)鍵技術(shù)，也成為近幾年的研究熱點(diǎn)。

圖6 可編程微盤陣列芯片示意圖[21]

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 低插損、小尺寸、低功耗調(diào)節(jié)單元

可調(diào)耦合器是可編程微波光子芯片的基本調(diào)節(jié)單元(tunable basic unit, TBU)，是實(shí)現(xiàn)芯片功能重構(gòu)的關(guān)鍵部件，同時(shí)它也是影響芯片損耗和功耗主要因素。它的插損將逐級積累，這限制了芯片中可使用的可調(diào)耦合器的數(shù)量，進(jìn)而限制了可編程芯片所實(shí)現(xiàn)光學(xué)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和信號(hào)處理的性能。目前大量使用的可調(diào)耦合器是利用寬帶3dB平衡式MZI結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，由兩個(gè)固定3dB耦合器和相位調(diào)節(jié)單元構(gòu)成，如圖7(a)所示[18]。

在對稱MZI兩臂加載加熱電極，可以調(diào)節(jié)波導(dǎo)等效折射率，從而分別在上臂和下臂產(chǎn)生Φupper和Φlower的相移?？烧{(diào)耦合器的傳遞函數(shù)如下：

其中θ=(ΦUpper-ΦLower)/2，Δ=(ΦUpper-ΦLower)/2。耦合系數(shù)K=cos2(θ)，γ為損耗項(xiàng)。通過控制加熱元件產(chǎn)生的相移使得0≤sinθ、cosθ≤1，可調(diào)耦合器工作在可調(diào)功分器狀態(tài)，sinθ=0且cosθ=1時(shí)工作在交叉狀態(tài)，sinθ=1且cosθ=0時(shí)工作在直通狀態(tài)，如圖7(c)所示。這種可調(diào)耦合器使用了兩個(gè)3dB耦合器，尺寸和插損都比較大。

圖7 (a)基于MZI的可調(diào)耦合器(b)可調(diào)定耦合器(c)信號(hào)流向圖[18]

為了減小插損，瓦倫西亞理工團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款可調(diào)定向耦合器[18]，如圖7(b)所示。通過改變耦合區(qū)域兩波導(dǎo)臂的折射率，可以調(diào)節(jié)耦合系數(shù)，實(shí)現(xiàn)直通、交叉和可調(diào)功分器狀態(tài)的切換?？烧{(diào)定向耦合器的插損約為一個(gè)3dB耦合器的插損，相比于采用兩個(gè)3dB耦合器的傳統(tǒng)定向耦合器其插損減小至約1/2，長度減小到約1/3。但是可調(diào)定向耦合器實(shí)現(xiàn)耦合系數(shù)0到1的變化需要的功耗較大，約為460mW，遠(yuǎn)大于基于MZI結(jié)構(gòu)的270mW。

基于熱光效應(yīng)設(shè)計(jì)的可調(diào)耦合器通常需要加熱電極持續(xù)工作以維持固定的相移，產(chǎn)生π的光相移通常需要200mW～300mW的功耗(氮化硅)。當(dāng)可編程光子芯片規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，需要的可調(diào)耦合器數(shù)量也相應(yīng)增加，芯片的功耗也會(huì)急劇增加。為了降低調(diào)節(jié)元件的功耗，J?rn P.Epping等人利用外加壓力改變材料折射率的性質(zhì)，在氮化硅波導(dǎo)上添加壓電材料(PZT)，設(shè)計(jì)出了壓光移相器[22，23]。該移相器產(chǎn)生π相移需要30～40V電壓，靜態(tài)泄漏電流小于0.1μA，靜態(tài)功耗在微瓦量級，驅(qū)動(dòng)壓光執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)功耗小于4mW，遠(yuǎn)小于基于熱光效應(yīng)的調(diào)節(jié)單元。該壓光移相器可以用于設(shè)計(jì)低功耗的可調(diào)耦合器。

(a) (b)

根特大學(xué)Wim Bogaerts團(tuán)隊(duì)提出了基于硅光微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectromechanical Systems，MEMS)器件的可編程光子芯片[24]。在靜電場驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)波導(dǎo)使其靠近或遠(yuǎn)離相鄰的波導(dǎo)可以產(chǎn)生較強(qiáng)的相移，并改變相鄰波導(dǎo)間的耦合強(qiáng)度[25]。圖9(a)所示為一個(gè)MEMS光移相器[26]，通過在梳狀驅(qū)動(dòng)器上施加靜態(tài)電壓可以推動(dòng)薄膜靠近或遠(yuǎn)離波導(dǎo)，從而改變波導(dǎo)的有效折射率進(jìn)而產(chǎn)生相位變化。圖9(b)為MEMS光開關(guān)[25]，在靜電場驅(qū)動(dòng)下，中央波導(dǎo)可以向1號(hào)或2號(hào)波導(dǎo)彎曲，從而改變中央波導(dǎo)與1、2號(hào)波導(dǎo)之間的耦合實(shí)現(xiàn)單刀雙擲開關(guān)的功能，該光開關(guān)可以改變可編程光子芯片的路徑選擇。MEMS調(diào)節(jié)單元具有低功耗、低損耗的特點(diǎn)，適合在可編程芯片中大量應(yīng)用。

(a) (b)

表2對上述可調(diào)節(jié)單元的特性進(jìn)行了總結(jié)和對比。目前可調(diào)節(jié)單元大多基于熱光效應(yīng)，因?yàn)闊峁庑?yīng)引入的插損較小。然而，相比于利用壓光效應(yīng)和MEMS設(shè)計(jì)的可調(diào)節(jié)單元，熱光調(diào)節(jié)單元功耗較大，熱串?dāng)_比較嚴(yán)重，這使其在大規(guī)?？删幊坦庾有酒膽?yīng)用中受到了一定限制。平衡式MZI可調(diào)耦合器采用了兩個(gè)3dB耦合器，所以插損和尺寸要大于單個(gè)可調(diào)定向耦合器，但其功耗較小。基于PZT和MEMS的可調(diào)節(jié)單元功耗很小，但基于PZT的調(diào)節(jié)單元尺寸較大。MEMS調(diào)節(jié)單元具有最小的尺寸和功耗，目前單個(gè)MEMS移相器的插損約為0.2dB，隨著工藝的進(jìn)步插損還可以進(jìn)一步減小[24]。因此，基于MEMS的可調(diào)節(jié)單元在大規(guī)模可編程光子芯片中有較好的應(yīng)用前景。

表2 可調(diào)節(jié)單元特性總結(jié)

2.2 綜合控制方法

通過改變可編程微波光子芯片波導(dǎo)網(wǎng)格的連通方式可以實(shí)現(xiàn)路徑切換，構(gòu)成不同長度的延時(shí)單元，微環(huán)諧振器和MZI結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)不同的微波光子信號(hào)處理功能。目前可編程微波光子芯片的功能重構(gòu)主要通過人工調(diào)節(jié)，芯片使用者基于特定的信號(hào)處理功能，設(shè)計(jì)好波導(dǎo)網(wǎng)格的連通方式，再通過調(diào)節(jié)加熱單元的電壓或電流實(shí)現(xiàn)特定的連通方式。隨著可編程芯片網(wǎng)格規(guī)模的擴(kuò)大，人工尋找特定連通方式并優(yōu)化各調(diào)節(jié)單元耦合系數(shù)的難度極大增加，高效的綜合控制方法對于大規(guī)模可編程光子芯片的實(shí)際應(yīng)用具有重要的意義。

目前實(shí)現(xiàn)對可編程微波光子芯片的控制主要借用了圖論中路徑搜索算法。將芯片網(wǎng)絡(luò)映射為一個(gè)圖網(wǎng)絡(luò)，其中每個(gè)光端口是圖中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)端口之間的連接是圖中的一個(gè)邊，每條邊有不同的權(quán)重，這個(gè)權(quán)重代表了插損、功率消耗等參數(shù)。得到代表光子芯片網(wǎng)絡(luò)的圖網(wǎng)絡(luò)之后，就可以用圖論中的算法來實(shí)現(xiàn)對光子芯片連通路徑的控制，實(shí)現(xiàn)不同的功能。

2019年根特大學(xué)Xiangfeng Chen使用改進(jìn)后的Dijkstra算法，實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)網(wǎng)格兩指定端口間最小插損路徑的選擇[27]。在經(jīng)典的Dijkstra算法中當(dāng)前節(jié)點(diǎn)可以訪問所有相鄰未訪問的節(jié)點(diǎn)以尋找最短路徑，但是現(xiàn)實(shí)中光波傳播不能自動(dòng)反向，并且在同一個(gè)可調(diào)耦合器中不能同時(shí)訪問直通路徑和交叉路徑，這使得經(jīng)典的Dijkstra算法找出的最佳路徑在現(xiàn)實(shí)中可能不能實(shí)現(xiàn)。為了解決這個(gè)問題，[27]改進(jìn)了Dijkstra算法，引入輔助節(jié)點(diǎn)進(jìn)行判決，避免同時(shí)使用同一可調(diào)耦合器的兩個(gè)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)正確的路由選擇，但是這使得網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了永遠(yuǎn)不可訪問的節(jié)點(diǎn)。在這基礎(chǔ)上2020年該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步擴(kuò)展了算法，將光子芯片網(wǎng)絡(luò)映射為一個(gè)有向圖，將耦合器建模為一個(gè)8端口網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)端口只可以單向傳輸。新的算法解決了不可實(shí)現(xiàn)路徑和不可訪問節(jié)點(diǎn)的問題，可以實(shí)現(xiàn)單輸入單輸出，單輸入多輸出和多輸入多輸出幾種情況的綜合[28]。

表3 控制方法總結(jié)

2020年瓦倫西亞理工大學(xué)Aitor López使用改進(jìn)的樹搜索算法分別在7個(gè)六邊形網(wǎng)格和18個(gè)六邊形網(wǎng)格兩種不同規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)了不同延時(shí)的光延遲線(即在指定端口間尋找特定長度的路徑)，不同尺寸的MZI結(jié)構(gòu)和微環(huán)諧振器，驗(yàn)證了該自動(dòng)搜索路徑算法的有效性[29]。該控制方法的不足之處是綜合MZI結(jié)構(gòu)和微環(huán)諧振器時(shí)必須先人工定義MZI用作功分器和合路器的兩個(gè)TBU的位置，以及微環(huán)諧振器與直通波導(dǎo)耦合的TBU的位置，還不能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)綜合。

2020年瓦倫西亞理工大學(xué)Daniel Pérez López通過構(gòu)造誤差函數(shù)，利用梯度下降法和單純形算法優(yōu)化各調(diào)節(jié)單元的耦合和相位，綜合出了一個(gè)1×8的功率分配器和一個(gè)消光比大于25dB的非對稱MZI結(jié)構(gòu)[20]。該優(yōu)化過程預(yù)先設(shè)置了輸入輸出端口和其間的連通方式，通過監(jiān)測各輸出端口光功率，實(shí)現(xiàn)對誤差函數(shù)的計(jì)算。文章指出誤差函數(shù)的構(gòu)建對于綜合出的光路性能有較大的影響，后續(xù)為了提升光路性能和優(yōu)化效率，還應(yīng)改進(jìn)誤差函數(shù)，并采用更高效的優(yōu)化算法。

表3對上述控制方法實(shí)例進(jìn)行了總結(jié)。目前對波導(dǎo)網(wǎng)格優(yōu)化控制的報(bào)道，主要是根據(jù)基本單元插損、功耗、長度等信息，尋找最佳連通路徑，即確定光路拓?fù)?。文獻(xiàn)[20]對器件性能進(jìn)行了優(yōu)化，但是光路拓?fù)湫枰A(yù)先設(shè)定。可同時(shí)實(shí)現(xiàn)光路拓?fù)渚C合和性能優(yōu)化的控制方法還有待進(jìn)一步研究。

3 發(fā)展趨勢

由以上分析可以看出，許多學(xué)者圍繞可編程微波光子芯片開展了深入的研究，光路拓?fù)湓O(shè)計(jì)，可調(diào)節(jié)單元優(yōu)化和控制方法等方面都取得了大量研究成果。然而，目前可編程微波光子芯片的報(bào)道大多處于功能演示的階段，要將其推向?qū)嶋H應(yīng)用還需要開展更為深入的研究。其發(fā)展趨勢總結(jié)如下：

(1)大規(guī)模集成可編程微波光子芯片。提高可編程微波光子芯片的性能需要增加可調(diào)節(jié)單元的數(shù)量，這必然要求更大的集成規(guī)模。光路拓?fù)浜涂烧{(diào)節(jié)單元的性能是影響集成規(guī)模的主要因素。這要求我們尋找可以提高集成密度的光路拓?fù)?，并?yōu)化可調(diào)節(jié)單元的性能，降低其尺寸、插損和功耗。如2.1節(jié)所述，優(yōu)化可調(diào)節(jié)單元需要在調(diào)節(jié)機(jī)理、調(diào)節(jié)單元結(jié)構(gòu)和集成工藝等幾個(gè)方面深入研究。

(2)更加智能的控制方法。隨著集成規(guī)模的擴(kuò)大，可調(diào)節(jié)單元的數(shù)量急劇增加，這極大增加了可編程芯片控制的復(fù)雜度。如2.2節(jié)所總結(jié)的，目前的控制方法還不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)拓?fù)渚C合和性能優(yōu)化。因此還需要研究更加智能的控制方法，后續(xù)可以引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，從而快速綜合出實(shí)現(xiàn)特定信號(hào)處理功能的光路拓?fù)鋄30]。

(3)有源、無源器件混合集成。目前報(bào)道的可編程微波光子芯片中片上部分只有光無源網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)完整的微波光子系統(tǒng)還需要電光調(diào)制器和光電探測器來加載和恢復(fù)微波信號(hào)，另外還需要光放大器來補(bǔ)償鏈路損耗。在可編程微波光子芯片上集成有源器件將使其成為一個(gè)完整微波光子系統(tǒng)，擺脫對片外功能模塊的依賴，進(jìn)一步增強(qiáng)芯片的性能和功能。全集成芯片可能的實(shí)現(xiàn)方式是使用硅基全集成或氮化硅和磷化銦的混合集成[5]。要實(shí)現(xiàn)高性能的有源、無源器件全集成還需要在光電集成工藝和材料上進(jìn)一步研究。

4 結(jié)束語

本文綜述了可編程微波光子芯片的研究現(xiàn)狀，介紹了其光路拓?fù)洹⒅饕獙?shí)驗(yàn)結(jié)果，展示了其在微波光子系統(tǒng)中的巨大應(yīng)用潛力；介紹了其關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，并總結(jié)了可能的發(fā)展方向。若將可編程芯片用于射頻收發(fā)系統(tǒng)將可以實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)射頻前端，根據(jù)用戶需求定義射頻前端的功能，增加其通用性。目前，可編程微波光子芯片可以實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)處理功能，但其具體性能還有待進(jìn)一步提升，還需要在擴(kuò)大集成規(guī)模，智能控制，有源、無源器件混合集成等方面繼續(xù)深入研究。