曹國威，范詩佳，李智慧，梁宇鑫*

（聯(lián)合微電子中心有限責任公司，重慶 401332）

引言

光電子集成技術[1-2]是未來信息產業(yè)發(fā)展的前沿技術，基于該技術的高速光收發(fā)模塊在5G 通信等應用中將起到重要作用[3]，光電融合技術的發(fā)展也有望解決高性能計算所遇到的內存墻（memory wall）問題[4]。與此同時，光電子集成技術在人工智能、量子計算及智能傳感等領域也開始嶄露頭角[5]，并開始顛覆性地解決一些傳統(tǒng)電域所面臨的瓶頸問題。

現(xiàn)有的集成光電子芯片大多是面向特定應用的定制化芯片。由于集成光電子對應的配套設計工具及工藝穩(wěn)定性尚不完善，且其性能對制造誤差非常敏感，這些定制化芯片往往需要多次迭代和設計優(yōu)化才能滿足所需要的特定功能和性能。同時，與電芯片相比，大規(guī)模集成的光電子芯片正處于起步階段，流片產量往往要低幾個數(shù)量級。因此，多次的芯片迭代和較低的芯片產量大大增加了制作單片光電子芯片的時間成本和經(jīng)濟成本，進而在一定程度上阻礙集成光電子產業(yè)的發(fā)展。

與電FPGA 類似，光FPGA 具有軟件定義可重構、高度通用性等優(yōu)點，同一芯片可滿足多種功能及產品的驗證需求。因此，光FPGA 能大幅減少設計制作周期，降低新產品開發(fā)成本，提升研發(fā)效率，對于突破傳統(tǒng)芯片通信和運算架構的性能瓶頸具有重大科學意義和應用價值。近年來，基于MZI、微環(huán)/盤等可調基本單元構成的三角形、四邊形、六邊形光FPGA 網(wǎng)絡結構，在延遲、濾波、路由、波分復用等領域越來越受人們的關注，具有廣闊的應用前景，成為硅光領域的一個研究熱門。

然而，隨著光FPGA 網(wǎng)絡規(guī)模逐漸增大，光FPGA的TBU 標定偏差逐漸累積，控制精度下降，從而直接導致可編程功能實現(xiàn)的劣化，因此需要開發(fā)一種對集成光網(wǎng)絡的高精度標定和控制方法。本文依托聯(lián)合微電子中心有限責任公司（CUMEC）SOI 180nm 自主工藝平臺，完成2×2 六邊形網(wǎng)絡光FPGA 芯片的設計與制備，并針對光網(wǎng)絡標定問題提出了迭代逼近標定法，通過網(wǎng)絡標定路徑規(guī)劃和極值逼近思想實現(xiàn)光FPGA 網(wǎng)絡標定，標定后TBU 消光比可從20.98 dB 提高到34.5 dB，并進一步實現(xiàn)了光FPGA 可編程微環(huán)以及可編程MZI 的高精度控制。

1 光FPGA 的原理和制備

1.1 光FPGA 的TBU 原理

TBU 是光FPGA 的基本單元，具有開關、功分和移相功能。本文使用的TBU 為光開關結構，基本結構見圖1，由兩個3 dB 分光的2×2 MMI 和熱移相器構成，即可單臂或雙臂加熱的等臂MZI 結構，支持開關與移相功能。熱調移相器損耗低、工藝簡單，在集成器件數(shù)量較多的光FPGA 中有較大優(yōu)勢。由傳輸矩陣理論可知，該TBU 的傳輸矩陣為

圖1 可編程基礎單元結構圖

1.2 光FPGA 的結構原理

根據(jù)傳輸信號的方向性，大規(guī)模光網(wǎng)絡可分為前傳式網(wǎng)絡和反饋式網(wǎng)絡。前傳式網(wǎng)絡一般用于實現(xiàn)單一的光路由功能。反饋式網(wǎng)絡通過構建光環(huán)路網(wǎng)絡，使光傳輸具有更大的靈活性。本研究選擇六邊形反饋網(wǎng)絡設計制造光FPGA 芯片，如圖2（a）所示，包含21個TBU 和20 個光I/O（input/output）端口，其中帶有單個黃色電極的TBU 表示單臂熱調，起到開關耦合控制的作用；帶有兩個黃色電極的TBU 代表雙臂熱調，起到耦合控制和相位控制的作用。本工作通過平鋪TBU實現(xiàn)如圖2（b）的扁平化網(wǎng)格設計，有效提高芯片集成度，有利于器件一致性和網(wǎng)絡規(guī)模提升。通過控制TBU 的開關狀態(tài)對光的傳輸路徑進行控制，可以實現(xiàn)光路由、微環(huán)和MZI 等多種功能。

圖2 2×2 六邊形網(wǎng)格光FPGA 示意圖

1.3 光FPGA 的制備

依托CUMEC 180nm 硅光工藝平臺，完成光FPGA 芯片的制備，如圖3（a）所示，封裝后的芯片如圖3（b）所示，光I/O 口采用標準8°光柵- 光纖陣列（Fiber Array，F(xiàn)A）垂直耦合封裝，熱調電極上的電I/O口經(jīng)由金屬走線至芯片邊緣的pad 以金線鍵合的形式耦合，整個光FPGA 的光I/O 數(shù)量為20 個，電I/O數(shù)量為25 個。

圖3

2 光FPGA 的控制與功能實現(xiàn)

2.1 光FPGA 的TBU 標定

光FPGA 功能的實現(xiàn)依賴于對光網(wǎng)絡內各個TBU 的高精度控制，但由于工藝偏差導致TBU 之間存在差異，因此對所有TBU 進行準確的開關點標定至關重要。然而，六邊形網(wǎng)絡結構中絕大多數(shù)TBU 無法直接與光I/O 口相連進行標定，且由于器件數(shù)量眾多，標定結果易受網(wǎng)絡內部TBU 構成的復雜干涉結構的影響。針對上述標定問題，本文提出適用于光FPGA網(wǎng)絡結構的迭代逼近標定法，即通過網(wǎng)絡標定路徑規(guī)劃和極值逼近思想實現(xiàn)光FPGA 網(wǎng)絡標定，標定流程見圖4，具體步驟如下：

圖4 光FPGA 標定流程

①標定路徑規(guī)劃，確保網(wǎng)絡內所有TBU 均能通過規(guī)劃路徑實現(xiàn)標定，本工作中2×2 光FPGA 網(wǎng)絡的標定路徑見圖5。

圖5 光FPGA 標定路徑規(guī)劃圖

②選擇某一路徑，對首個TBU 進行電調曲線標定，標定后將此TBU 設置于開點。

③按照步驟②，按順序完成標定路徑其他TBU標定。

④重復上步操作，直到完成指定的迭代次數(shù)，得到標定路徑上所有TBU 的標定結果。

⑤對所有顏色的標定路徑重復以上迭代掃描標定步驟，得到所有TBU 的標定結果。

每次迭代中對TBU 開關點的設置，相比上次迭代而言，實際上減小了路徑中TBU 引起的干涉影響，且網(wǎng)絡的環(huán)路結構使得傳輸?shù)綐硕窂揭酝獾墓夂茈y再回到標定路徑上，減小了雜散干擾光的影響。迭代次數(shù)越多，各個TBU 越逼近實際開關電壓工作點，從而準確得到TBU 的開電壓、關電壓值。

圖6 和表1 展示了單個TBU 電調曲線和標定結果隨迭代次數(shù)的變化。TBU 的消光比隨著迭代次數(shù)增加而增大，5 次迭代后可從20.98 dB 提高到34.5 dB，證明迭代次數(shù)越多，標定結果越準確。進一步測試得到該TBU 的熱調電阻為1 260 Ω，結合開關電壓值，可得開關點半波功率Pπ 為18.6 mW。高消光比與低半波功率能夠保證光FPGA 編程光學功能的準確性和能耗的節(jié)約性，有利于大規(guī)模光網(wǎng)絡的集成。本文提出的標定方法不受整個光網(wǎng)絡大小和形態(tài)的限制，只需要對光FPGA 的網(wǎng)格結構進行合理、有效地拆分并進行足夠多次的迭代掃描，就可實現(xiàn)可編程基礎單元高效率、高精度的標定，且每條標定路徑只需要單一光功率監(jiān)測結構，不需要針對每個TBU 加入額外的光功率監(jiān)測結構。

圖6 TBU12 的電調曲線隨迭代次數(shù)變化圖(1～5 表示迭代次數(shù))

表1 綠色路徑中TBU12 的標定結果隨迭代次數(shù)變化表

2.2 光FPGA 的功能實現(xiàn)

光FPGA 所有TBU 完成迭代掃描標定后，構建光FPGA 網(wǎng)絡內所有光開關的電光調諧模型。通過編寫光網(wǎng)絡的控制程序，實現(xiàn)上位機控制光網(wǎng)絡內所有TBU 的開關、耦合效率與相位，進而構建特定光學路徑，實現(xiàn)多種可編程光學結構，如圖7 所示的單網(wǎng)格微環(huán)結構。通過改變微環(huán)耦合效率和相位，測試其光譜變化（圖8）。在保持微環(huán)相位前提下，耦合效率的調節(jié)可以實現(xiàn)微環(huán)半峰全寬和消光比的控制，如圖8（a）所示，在微環(huán)諧振峰不動的情況下，實現(xiàn)了微環(huán)消光比0-28 dB 的調控，其中28dB 的消光比意味著微環(huán)達到臨界耦合狀態(tài)。在保持微環(huán)耦合效率的前提下，通過控制微環(huán)相位可實現(xiàn)微環(huán)諧振峰的調諧，如圖8（b）所示，諧振峰調諧范圍達到50 pm。

圖7

圖8

與程控微環(huán)同理，在上位機中配置光FPGA 可形成MZI 的網(wǎng)格路徑結構，如圖9 所示，通過對MZI 耦合效率、移相進行參數(shù)掃描，結果如圖10 所示。與微環(huán)類似，通過MZI 參數(shù)調制，實現(xiàn)了MZI 消光比0-43dB 的調控與20pm 的光譜調諧。光FPGA 搭建的微環(huán)與MZI 結構通過參數(shù)控制實能夠實現(xiàn)消光比與光譜調諧范圍的大范圍控制，均得益于光FPGA 網(wǎng)絡的高精度標定。

圖9

圖10

3 結論

光FPGA 因其特殊的光網(wǎng)絡結構和較大的光網(wǎng)絡規(guī)模，具有與電FPGA 類似的軟件定義可重構性和高度通用性，能夠極大地提高光芯片開發(fā)效率，拓寬集成光電領域產品。然而，光FPGA 的TBU 標定與控制偏差會隨著網(wǎng)絡規(guī)模擴大而逐漸累積，導致可編程功能實現(xiàn)的劣化。本文設計并制備了2×2 六邊形光FPGA 網(wǎng)格，并針對上述問題，提出了適用于光FPGA的迭代逼近標定法，通過網(wǎng)絡標定路徑規(guī)劃和極值逼近思想實現(xiàn)光FPGA 網(wǎng)絡標定，標定后TBU 消光比可從20.98 dB 提高到34.5 dB。得益于TBU 的高精度標定及控制，可編程微環(huán)和MZI 結構的消光比分別可達28 dB 和43 dB。本研究對光FPGA 的設計與控制進行了基礎驗證，為今后大規(guī)模的光FPGA 芯片的研發(fā)提供了技術支持。