原創 長光所Light中心 中國光學 收錄於話題#集成光學8個
撰稿 | Fortuner（西湖大學 博士生）
在過去十幾年裡，光子集成鏈路（photonic integrated circuits, PIC）在更多的應用領域得到更加廣泛的應用，從電信/數據收發器到傳感器等。矽光子學已經發展成為一種通用技術。
在當今，所有PICs都是以特定應用程式的需求為目標來執行單個或幾個功能。開發這些特定應用的PICs（application specific PICs，ASPIC）是昂貴且有風險的，因為它可能需要2-3個設計——製造——測試周期，每個周期長達一年以便達到工作規格。這種緩慢的開發周期對測試新產品技術和經濟可行性及其市場潛力是非常不利的。
圖源：Veer
借鑑於電子工業開發模式和經驗，可編程光子鏈路應運而生。可編程PICs是一種光子晶片，可以在軟體中配置為不同的應用程式執行各種功能，從而在更大程度上部署光子學。可編程PICs包括可調諧耦合器和一系列的波導網絡，可以在軟體中重新配置，以定義不同的功能和輸入和輸出埠之間的任意連結。現成的可編程PICs可以極大的縮短新光子產品的開發時間和部署成本，因為他們繞過了定製PIC的設計——製造周期。這些晶片實際上是由光子學、電子封裝和軟體等一整套技術組成的，其生產成本可能比ASPIC更低。
近日，比利時根特大學Wim Bogaerts和Abdul Rahim在IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics上發表綜述，題為「Programmable Photonics: An Opportunity for an Accessible Large-Volume PIC Ecosystem」，總結了這些通用可編程PICs的技術要求並討論了其經濟規模。對通用可編程PICs可能發揮作用的應用空間做了定性分析。
一、可編程PICs基本概念
在光子鏈路中，光通過波導在功能模塊之間傳輸。這些可以被分成兩種不同的類別：
一方面是線性定常元件，如beam splitters，wavelength filters，mode filters，polarization rotators以及delay lines，組成的子鏈路。這些可以用耦合光在波導埠之間的傳輸矩陣或散射矩陣來描述。
另一方面是其他模塊組件，如調製器，光電探測器和放大器。在一個ASPIC中，鏈路的線性部分是根據需要的功能定製設計的，可以採用靜態配置，也可以採用電光調諧來調製其行為功能。
圖1所示是可編程PICs將定製的線性鏈路替換為通用鏈路，可重新配置以提供所需的連接性，將功能模塊與正確的傳輸/分散矩陣連接在一起。結合網格中的開關和不同拓撲，使它可能定義鏈路埠之間的任意線性關係。對於這些網狀鏈路，有許多名字，如光子處理器，可重構光子或可編程光子門陣列。
圖1b-d展示了這種網格的不同拓撲。在只向前的網格中，光期望從一個方向通過網格傳播，並且埠被分割成一組輸入和輸出。在一個循環網格中，波導被組織在耦合迴路或環中，允許從任何多口耦合到任何其他埠。此外，在循環網格中，光路可以用離散延遲進行編碼，這使得構建幹涉波長濾波器和諧振器成為可能。這兩種類型的網格程序通過電可實現調諧耦合器和相移器到期望狀態。
圖1 可編程光子鏈路的基本概念
圖源：IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，2020，26，8302517. Fig. 1
二、可編程PICs技術堆棧
波導網絡本身可以包含數百甚至數千個可調諧耦合器和移相器元件，這些元件都需要被驅動才能將晶片上的光傳輸到目的地。為了實現這一目標，可編程PICs不僅僅是一個光子晶片：光鏈路只是操縱光的技術堆棧中的一個元素。PICs需要驅動驅動電子，鏈路監控，控制迴路，軟體接口和變成算法來為用戶提供功能，並且所有的組件都需要被適當的封裝以處理大量的光電輸入和輸出信號。
圖2中簡要說明了堆棧中的各種要素。當討論可編程的PICs時，包含晶片內部或系統的各種技術在內的提供一個完整的技術堆棧時至關重要的。
圖2 可編程光子鏈路技術堆棧
圖源：IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，2020，26，8302517. Fig. 3
三、可編程PICs工程成本估算
可編程PICs技術堆棧似乎比ASPICs要昂貴的多：晶片更大，需要更複雜的控制電路，封裝需要容納大量的輸入和輸出埠。
在這種情況下，使用可編程PICs還有經濟意義嗎？
3.1 共享非循環性工程成本
使用可編程晶片的主要好處是節省了非重複性工程（Non-recurring engineering, NRE）。表1列舉了一家專業公司（沒有自己生產線）在一家已經建立標準矽光子產線平臺的公司開發了一個ASPIC所用的成本。
根據晶片和最終產品的複雜性，成本會有很大的不同。表中的數字表示的是產品原型的開發成本和時間，而不是批量生產的實際成本。包括光源以及所有硬體的前期設計，製造和測試，把所有這些都加在表1中，不難發現，開發成本從設計到測試很容易就超過了一百萬美金，而且這事假設一個單一的，一次性正確的開發周期。此外，即使有些開發時並行完成的，開發時間至少是一年。這不僅在產品開發方面是一筆巨大的前期成本，而且也為產品上市創造了一段較長的時間，為競爭對手提供了一個定位替代品的窗口。
表1 開發一代矽基ASPIC總體成本估算
表源：IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，2020，26，8302517. Table 1
可編程PICs與驅動IC，標準封裝以及開發工具包捆綁在一起，可以將新產品原型最初的開發時間從一年多縮短到幾周或幾個月。因為可編程的PICs佔用了很大的晶片空間，需要更多的電子驅動設備，並且通常比許多應用程式需要更多的可用埠，所以每片晶片的成本可能比定製的ASPIC更高。但是這種只有少數PIC陳品真正需要高量產。
據預測，在可預見的未來，即使是全球數據中心通信市場也只會消耗矽光子生產能力的一小部分。很多小批量的產品只需要一個或幾個生產批次就可以滿足100-10000單元的市場需求。通用可編程PICs只是因為PICs可用於多種產品，所以可以大批量生產。但是與許多商用CMOS晶片相比，這還是低量或者適度的產量。這也可以降低晶片的成本，因為生產批次可以運行在一個更有規律率的時間表。
3.2 供應鏈
開發基於光子集成鏈路的產品需要結合光子學設計和製造，電子設計和製造，封裝技術和軟體開發。除非所有這些技術都能在內部的到沒否則就需要建立一個供應鏈來獲取專業知識和材料。無論是光子還是電子，如前所述，每一代大約需要一年的周期。之後，晶片批量生產的交貨時間也將需要幾個月，這取決於工廠計劃啟動光子學產品生產批次。定製電子產品也有類似的時間表。為了緩衝這些漫長的交付時間，光子和電子集成都需要重組的庫存。可編程PICs由於它們可以服務許多應用，因此許多客戶可以消減一半供應鏈，如圖所示。
圖3 可編程PICs的供應鏈。大規模生產可編程PICs將供應鏈一分為二，大大縮短了獲得工作PICs的時間。
圖源：IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，2020，26，8302517. Fig. 7
由於可編程PICs已經響應的驅動電子可以在更長的使用周期中博愛吃穩定，這就為第三方圍繞這些晶片組構建服務提供創造了機會。封裝和組裝服務，特別時射頻和光學接口，對於標準化晶片來說比定製的ASPICs更便宜。並且由於可編程PICs的許多功能時有變成定義，這可以為軟體算法和編程服務，甚至是為專業的設計環境創造一個市場。雖然這樣的生態系統依賴於標準化的或通用的晶片，但是它確實為產品開發創造了更多的選擇，並可大大縮短上市時間，以及批量生產的時間。
四、可編程PICs的應用
可編程PICs的關鍵價值之一是它們可以實現應用程式部署的多樣性，一些潛在應用有望採用可編程PICs（圖4）。具體的可以將應用分為三個部分：
圖4 可編程光子晶片的可能應用。
圖源：IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，2020，26，8302517. Fig. 8
1. 已經廣泛使用ASPICs的應用，特別是在電信和數據通信領域。比如，數據中
心收發機，長途電信網絡中的波長路由器。
2. 今天大力發展PICs(主要是ASPICs)，但技術或市場還沒有成熟到生產商業上
可行的產品的應用領域。這包括多種傳感技術，如(生物)化學傳感，光譜學，雷射雷達，但也發展進入微波光子學，量子信息處理和人工智慧應用加速器等領域。
3. 目前還沒有向PICs遷移的應用程式，但是可以從相干光晶片操作中獲益。這
些應用中有許多仍是未知的，而且最初的市場潛力似乎太小，不足以保證今天重大的發展投資。為物聯網設備定製的光子傳感器或讀取晶片就屬於這一範疇。
圖源：Veer
可編程PICs的影響在不同部分是不同的。要衡量這一點，可編程PICs的主要優勢需要被強調：
1. 可編程PICs加速了新功能的開發，因為它繞過了設計和製造一個定製ASPIC的過程。
2. 由於NRE成本有PIC的所有用戶分攤，因此在較小的體量中部署它們可能具有價格競爭力。
3. 它們可以實現在軟體中的可重構以及功能升級。
另一方面，相比與ASPIC，可編程PICs可能會有較低的性能（插損）和更高的能耗，而且在大體量的應用中，它們的價格也會顯著提高。也會出現可編程PICs不能滿足規格的應用。
相關原因可能是：因為所需波長範圍不被指出，或因為可編程的PIC不能處理高光功率。在濾光片的應用中，可編程網格可能不能提供所需的波長精度或足夠大的自由光譜範圍。可編程PIC技術正在逐漸進步，以適應更高級的規格。
文章信息
IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics ( Volume: 26 , Issue: 5 , Sept.-Oct. 2020 )
論文地址
https://doi.org/10.1109/JSTQE.2020.2982980
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原標題：《可編程光子學：集成光路產業的新機遇》
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