光子集成電路（Photonic integrated circuits，PICs）在近年來已經逐漸發展為一項成熟且強大的技術，PICs的概念與電子集成電路的概念類似，只不過電子集成電路集成的是電晶體、電容器、電阻器等電子器件，而PICs集成的是各種不同的光學器件或光電器件，比如雷射器、電光調製器、光電探測器、光衰減器、光復用/解復用器以及光放大器等。
PICs在信息傳輸和處理領域有著不可比擬的優勢，因此被廣泛應用於光纖通信、光譜傳感器及量子信息處理等應用中。但目前，絕大部分的PICs都是針對某一特定應用而對其進行設計並製造的，也被稱為定製化光子集成電路，這就導致該PICs的光路及功能是固定不變的，無法適用於多種應用領域及應用場景，也在一定程度上增加了開發周期和開發成本。
為了解決這一問題，科研人員基於電子集成電路的發展經驗提出了可編程光子集成電路的概念，可編程PICs可以基於目標功能需求使用軟體進行編程，並通過電控和溫控等方式對片上光波導及其他功能器件進行重新配置，從而實現對光信號的再次調控。這種可編程性使得PICs具備了功能重置的能力，降低了生產成本及技術障礙，並提供了一種可升級性的途徑。
近日，比利時根特大學的Wim Bogaerts等人在Nature上發表了綜述，題為「Programmable photonic circuits」，文中解釋了可編程PICs中波導網格的基本概念和基本原理，分析了可編程PICs的相關技術支持並總結了可編程PICs的應用及發展前景。
一、光波導網絡架構及相關算法
在可編程PICs中，主要依靠由2×2的耦合器模塊或「模擬門」（相當於片上自由空間分束器）組成的光波導網絡來控制光信號的傳輸。如圖1a、b所示，馬赫曾德爾幹涉儀（MZI）便經常被用來實現2×2的耦合器模塊，是光波導網絡架構中的基本構建模塊，它通過將兩個光學移相器放置在MZI的不同位置來實現功率配比和相對相位延遲（圖1 c、d），另外還可以在MZI中放置一個可控耦合器來實現對光路的方向控制（圖1 e）。
圖1 通用2×2耦合器模塊
圖源：Nature 586, 207–216 (2020). Fig 1
基於2×2耦合器模塊以及波導模塊，便可完成光波導網絡的設計，目前光波導網絡主要分為兩大類：一種是單向網絡，即光只能由in端傳輸至out端；另一種是循環網絡，即光可以在網絡中循環傳輸，甚至可以重新傳輸回in端。
（1）單向網絡
在單向網絡中，光在一個方向上進行傳輸，在每個階段都可以使用2×2耦合器對其進行控制，這種架構可以通過編程設計進行簡單的漸進設計，並可以針對某些簡單情況和問題進行重新配置。
如圖2所示，為具有5個輸入端的三角形網絡示例，該網絡結構基本可以實現輸入和輸出之間的任何線性變換矩陣，例如可以通過調整MZI11、MZI12、MZI13和MZI14使得探測器D11~D14的功率為零，從而將來自1~5的所有輸入光全部組合到Output1埠輸出。該案例僅為簡單的原理說明，在實際應用中可以通過配置算法使輸入波導的光振幅和相位任意疊加，獲得更為複雜的目標輸出結果，另外除了三角形網絡外，「二叉樹」結構以及矩形結構等均能實現該要求。
圖2 三角形網絡示意圖
圖源：Nature 586, 207–216 (2020). Fig2(a)
（2）循環網絡
循環網絡是由多個2×2耦合器按照一定規律相互連接組成的規則二維環路，該環路的所有波導埠都可以由一個完整的散射矩陣進行調控，從而使光在循環網絡中具有沿任意方向傳輸的能力。
循環網絡的環路可以通過不同的結構進行連接，通常由正方形、六邊形和三角形等，其中六邊形網絡結構具備超強的集成能力和重新配置能力，其所有埠都可互換的作為輸入和輸出埠，既可以將其編程為簡單的單向網絡，也可以將其編程為有限和無限脈衝響應的波長濾波器。
此外，網絡中單元的數量越多，可編程的功能也就越多，但製造難度和成本也會越高；單元的尺寸越大，調控的方式就越靈活，但光學損耗又會增高，因此在實際應用中，需要根據實際的需要來對單元的數量、類型和尺寸以及工藝難度、成本進行評估優化，做出最恰當的選擇。
圖3 可編程PICs的功能層示意圖
圖源：Nature 586, 207–216 (2020). Fig 4
如圖3所示，單向網絡和循環網絡都可作為通用可編程PICs的核心，但與電子可編程門陣列（FPGA）類似，除了核心光波導網絡之外，可編程PICs還需要一組輸入/輸出光信號埠以及相關高性能模塊，如光源、高速調製器、檢測器、光放大器、延遲線和濾波器等，只有光波導網絡與高性能模塊相互配合才能夠通過編程實現目標功能。
二、可編程PICs的相關技術
與可編程電子集成電路類似，為了使大型的可編程PLCs能夠正常工作，還需要製造工藝、可調耦合器、移相器、監視器、配置軟體和封裝等一系列相關技術的支持。
（1）製造工藝
可編程PICs技術的核心是光子晶片，它可以在多種技術平臺上進行製造，但為了搭載更多的單元結構，需要將其進行緊密排列，因此需要在具有高折射率對比度的平臺上進行加工製造，例如矽光子器件平臺、氮化矽光子器件平臺和磷化銦PICs平臺，並且這些技術平臺與電子製造工藝平臺類似，更適合晶片級的大規模製造。
目前，大多數PICs技術僅支持單層（2D）架構，將光波導網絡限制在單個平面內，但多層三維（3D）架構可以進一步增加其靈活性、集成性和功能性，且被證明具有超低的損耗和串擾，有望成為下一步PICs的重點研究方向。
（2）可調耦合器和移相器
如圖1所示，在可編程PICs中的關鍵模塊為可調諧耦合器和移相器，除了低插入損耗和低功耗的基本要求外，通常還需要具有較短的光程，以合成大型的自由頻譜區式（FSR）濾波器。
在大多數可調耦合器和移相器中都使用電驅動加熱器來實現熱光調控，雖然這種調控方式簡單且便於加工製備，但其功耗較高、響應時間較長且容易出現熱串擾問題。
為了解決這一問題，大量科研人員也在積極尋找新材料或新方法以完成對調控方式的改進和替代，比如高熱光係數材料、壓電驅動器、液晶、鈣鈦礦以及微機電系統(MEMS)。
（3）實時監測和迴路控制
在一個完整的光波導網絡中存在著數十萬的光傳輸路徑，因此只有確定光在網絡中的位置，才能有效控制網絡中的可調諧元件，最為直接的方法就是在每個可調諧元件內部或後面嵌入光電探測器，通過測量波導內的吸收來跟蹤光路，這種方法雖為簡單直接，但需要光電探測器具有極低的插損和極高的透過率。
通過這樣一個實時監測信號，就可以利用自校準算法將部分光波導網絡設置為自配置控制環路，例如可以將2×2耦合器設置在特定工作點或用來穩定濾波器的波長，這種環路不需要集成的控制系統，僅通過模擬電子、數字電子、配置軟體和實時監測系統便可實現。
（4）電子電路、連接器、射頻元件和封裝
控制數以千計的可調諧元件和實時監測需要大量的電子電路（包括模擬電路和數字電路）支撐，其中可調諧元件需要足夠高精度的高解析度數模轉換器；實時監測需要高精度的魔術轉換器和可編程控制邏輯的驅動器電子設備，例如微控制器、FPGA和數位訊號處理器（DSP）等。
將光學部分與電學部分共同集成到同一塊晶片上是光電集成晶片最為理想的效果，但目前這種單片集成受波導損耗、電晶體節點等因素的限制，使其很難集成在較大的可編程PICs上，因此將電學部分和光學部分單獨在晶片上製造然後混合集成的方法仍被廣泛採用，這就需要在電子晶片與光子晶片之間通過物理接口進行連接，目前主要包括倒裝晶片（如圖3）、嵌入器和3D堆疊的連接方法。
光波導網絡可以用於高速通信的原因就是它可以支持非常大的信號帶寬，要將高速射頻信號（數位訊號或模擬信號）編碼到光載體上，就需要使用帶寬超過50GHz的高速電光調製器對光信號完成調製；而要將經光學晶片處理後的光信號轉換為射頻信號，就需要集成光電探測器來實現，兩者結合便可實現射頻微波信號的輸入及輸出埠。此外，在大帶寬光信號處理過程中還要求濾波器具有足夠大的FSR，以保證工作波段可以涵蓋整個帶寬，這就要求波導網絡具有較短的單元光波導長度（例如，對於50GHz的FSR，要求六邊形網絡中的單元光波導長度為1mm）。
一個完整的可編程PICs除了需要特殊的基板、連接器和波導外，還需要數千條電氣控制線和眾多光纖組成，所以封裝也是PICs所需技術的一個重要部分。
（5）放大器和光源
相比於傳統的定製化光子集成電路，可編程PICs具有更高的光學損耗，因此無論在波導網絡邊緣還是在結構內部，都需要片上放大器對其進行補償：其中一種方法可以利用外延生長的方法將放大器直接鍵合在矽晶片上；另一種方法可以利用微納轉移印刷等技術將放大器與波導腔結合，構成可編程雷射器，從而可直接實現非線性的全光信號處理。
（6）編程算法
為了控制數千個驅動器以實現光波導網絡的可編程功能，需要為其搭配合適的編程算法。對於單向網絡，可以針對其不同的線性變換或自配置分層網絡進行漸進式配置；而循環網絡則需要新的編程技術，這其中主要包括兩大類：第一類則是「Black Box」優化算法（如機器學習），該方法不一定需要校準可在硬體上直接進行相關操作，另一類為合成算法（synthesis techniques），該方法需要首先推導出所需的網絡結構，然後再用算法對驅動器進行配置，且該方法需要定期進行校準。
隨著可編程PLCs的發展，相關研究人員還可以基於相關的硬體基礎設施在編程算法層面對其進行開發，力求可以像電子FPGA的VHDL語言一樣，使可編程PLCs也擁有自己的高級語言。
圖源：中科院長春光機所，Light學術出版中心，新媒體工作組
三、可編程PLCs的應用
可編程PLCs的優勢在於通信、傳感和寬帶信號處理，因此可以在這幾方面對其應用進行擴展。
（1）線性向量矩陣乘積
可編程PICs的輸出光信號使輸入埠信號的線性組合，這種線性變換在數學上被稱為線性向量矩陣乘積，這種矩陣運算可以用於信號處理和散列運算中，還可以應用於量子信息處理和人工神經網絡等新型領域。
在光通信的交換網絡中，還可以將PICs用於光纖上傳輸不同模式的解/復用器和非/擾碼器，也可以成對用於尋找最佳正交通信信道。
（2）微波光子學
在微波光子學領域，可以利用光子集成電路完成高頻電信號的濾波、波形生成和頻率測量等功能，但目前大多都是定製化的光子集成電路。
而在可調製PICs中，以上功能均可以完美實現，比如正方形波導網絡可以用於Hilbert變換器、帶通濾波器、時間微分器、頻率轉換器和可編程延時線等功能，且可以降低功耗、體積及重量，對下一代5G小型化無線系統和航空航天小型化射頻系統的發展至關重要。
（3）光學波束成形
雷射探測和測距(LiDAR)技術有力地推動了光學波束成形的發展，矽基光相控陣便是其中一種光束成形的方法，該方法通過控制每個天線中的振幅和相位，從而在遠場構建出目標光束。可編程PICs中大量的可調諧元件正好能滿足該方法的要求，同時也可以反向使用光束成形，將已失真的入射場耦合到單個波導中。
（4）傳感應用
光可以通過振幅、相位或頻率響應的變化來感知各種各樣的現象，以實現光傳感的功能，PICs已經在片上光譜儀、生物傳感器、光學相干層析成像和調頻連續波雷射雷達等領域提供了一個有效的傳感器平臺，其中許多功能都能在通用的可編程PICs上實現，但仍有一些需要專門幾何形狀、化學特性或其他功能的傳感器需要定製化PICs來實現。
四、可編程PICs的發展前景
幾十年前，可編程電子集成電路經歷了與微處理器、FPGA和DSP類似的演變，不再需要設計定製的晶片來實現特有的功能，取而代之的是，圍繞著可編程電子集成電路形成了一個擁有低成本、低誤差容限的產品生態系統。
如同電子領域一樣，如果能對分立光學、定製化PICs和可編程PICs提供各自的一套解決方案，那麼也可以同時建立起一個光子生態系統。另外雖然光子集成電路與電子集成電路有所類似且功能互補，但目前在光子集成電路的設計複雜性方面及算法編程方面仍有巨大的探索空間。