前沿| 可编程光子学：集成光路产业的新机遇

撰稿 | Fortuner（西湖大学 博士生）

在过去十几年里，光子集成链路（photonic integrated circuits, PIC）在更多的应用领域得到更加广泛的应用，从电信/数据收发器到传感器等。硅光子学已经发展成为一种通用技术。

在当今，所有PICs都是以特定应用程序的需求为目标来执行单个或几个功能。开发这些特定应用的PICs（application specific PICs，ASPIC）是昂贵且有风险的，因为它可能需要2-3个设计——制造——测试周期，每个周期长达一年以便达到工作规格。这种缓慢的开发周期对测试新产品技术和经济可行性及其市场潜力是非常不利的。

图源：Veer

借鉴于电子工业开发模式和经验，可编程光子链路应运而生。可编程PICs是一种光子芯片，可以在软件中配置为不同的应用程序执行各种功能，从而在更大程度上部署光子学。可编程PICs包括可调谐耦合器和一系列的波导网络，可以在软件中重新配置，以定义不同的功能和输入和输出端口之间的任意链接。现成的可编程PICs可以极大的缩短新光子产品的开发时间和部署成本，因为他们绕过了定制PIC的设计——制造周期。这些芯片实际上是由光子学、电子封装和软件等一整套技术组成的，其生产成本可能比ASPIC更低。

近日，比利时根特大学Wim Bogaerts和Abdul Rahim在IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics上发表综述，题为“Programmable Photonics: An Opportunity for an Accessible Large-Volume PIC Ecosystem”，总结了这些通用可编程PICs的技术要求并讨论了其经济规模。对通用可编程PICs可能发挥作用的应用空间做了定性分析。

另一方面是其他模块组件，如调制器，光电探测器和放大器。在一个ASPIC中，链路的线性部分是根据需要的功能定制设计的，可以采用静态配置，也可以采用电光调谐来调制其行为功能。

图1所示是可编程PICs将定制的线性链路替换为通用链路，可重新配置以提供所需的连接性，将功能模块与正确的传输/分散矩阵连接在一起。结合网格中的开关和不同拓扑，使它可能定义链路端口之间的任意线性关系。对于这些网状链路，有许多名字，如光子处理器，可重构光子或可编程光子门阵列。

图1b-d展示了这种网格的不同拓扑。在只向前的网格中，光期望从一个方向通过网格传播，并且端口被分割成一组输入和输出。在一个循环网格中，波导被组织在耦合回路或环中，允许从任何多口耦合到任何其他端口。此外，在循环网格中，光路可以用离散延迟进行编码，这使得构建干涉波长滤波器和谐振器成为可能。这两种类型的网格程序通过电可实现调谐耦合器和相移器到期望状态。

波导网络本身可以包含数百甚至数千个可调谐耦合器和移相器元件，这些元件都需要被驱动才能将芯片上的光传输到目的地。为了实现这一目标，可编程PICs不仅仅是一个光子芯片：光链路只是操纵光的技术堆栈中的一个元素。PICs需要驱动驱动电子，链路监控，控制回路，软件接口和变成算法来为用户提供功能，并且所有的组件都需要被适当的封装以处理大量的光电输入和输出信号。

图2中简要说明了堆栈中的各种要素。当讨论可编程的PICs时，包含芯片内部或系统的各种技术在内的提供一个完整的技术堆栈时至关重要的。

可编程PICs技术堆栈似乎比ASPICs要昂贵的多：芯片更大，需要更复杂的控制电路，封装需要容纳大量的输入和输出端口。

在这种情况下，使用可编程PICs还有经济意义吗？

使用可编程芯片的主要好处是节省了非重复性工程（Non-recurring engineering, NRE）。表1列举了一家专业公司（没有自己生产线）在一家已经建立标准硅光子产线平台的公司开发了一个ASPIC所用的成本。

根据芯片和最终产品的复杂性，成本会有很大的不同。表中的数字表示的是产品原型的开发成本和时间，而不是批量生产的实际成本。包括光源以及所有硬件的前期设计，制造和测试，把所有这些都加在表1中，不难发现，开发成本从设计到测试很容易就超过了一百万美金，而且这事假设一个单一的，一次性正确的开发周期。此外，即使有些开发时并行完成的，开发时间至少是一年。这不仅在产品开发方面是一笔巨大的前期成本，而且也为产品上市创造了一段较长的时间，为竞争对手提供了一个定位替代品的窗口。

表1 开发一代硅基ASPIC总体成本估算

可编程PICs与驱动IC，标准封装以及开发工具包捆绑在一起，可以将新产品原型最初的开发时间从一年多缩短到几周或几个月。因为可编程的PICs占用了很大的芯片空间，需要更多的电子驱动设备，并且通常比许多应用程序需要更多的可用端口，所以每片芯片的成本可能比定制的ASPIC更高。但是这种只有少数PIC陈品真正需要高量产。

据预测，在可预见的未来，即使是全球数据中心通信市场也只会消耗硅光子生产能力的一小部分。很多小批量的产品只需要一个或几个生产批次就可以满足100-10000单元的市场需求。通用可编程PICs只是因为PICs可用于多种产品，所以可以大批量生产。但是与许多商用CMOS芯片相比，这还是低量或者适度的产量。这也可以降低芯片的成本，因为生产批次可以运行在一个更有规律率的时间表。

开发基于光子集成链路的产品需要结合光子学设计和制造，电子设计和制造，封装技术和软件开发。除非所有这些技术都能在内部的到没否则就需要建立一个供应链来获取专业知识和材料。无论是光子还是电子，如前所述，每一代大约需要一年的周期。之后，芯片批量生产的交货时间也将需要几个月，这取决于工厂计划启动光子学产品生产批次。定制电子产品也有类似的时间表。为了缓冲这些漫长的交付时间，光子和电子集成都需要重组的库存。可编程PICs由于它们可以服务许多应用，因此许多客户可以消减一半供应链，如图所示。

由于可编程PICs已经响应的驱动电子可以在更长的使用周期中博爱吃稳定，这就为第三方围绕这些芯片组构建服务提供创造了机会。封装和组装服务，特别时射频和光学接口，对于标准化芯片来说比定制的ASPICs更便宜。并且由于可编程PICs的许多功能时有变成定义，这可以为软件算法和编程服务，甚至是为专业的设计环境创造一个市场。虽然这样的生态系统依赖于标准化的或通用的芯片，但是它确实为产品开发创造了更多的选择，并可大大缩短上市时间，以及批量生产的时间。

可编程PICs的关键价值之一是它们可以实现应用程序部署的多样性，一些潜在应用有望采用可编程PICs（图4）。具体的可以将应用分为三个部分：

图源：IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，2020，26，8302517. Fig. 8

1. 已经广泛使用ASPICs的应用，特别是在电信和数据通信领域。比如，数据中

2. 今天大力发展PICs(主要是ASPICs)，但技术或市场还没有成熟到生产商业上

3. 目前还没有向PICs迁移的应用程序，但是可以从相干光芯片操作中获益。这

些应用中有许多仍是未知的，而且最初的市场潜力似乎太小，不足以保证今天重大的发展投资。为物联网设备定制的光子传感器或读取芯片就属于这一范畴。

3. 它们可以实现在软件中的可重构以及功能升级。

另一方面，相比与ASPIC，可编程PICs可能会有较低的性能（插损）和更高的能耗，而且在大体量的应用中，它们的价格也会显著提高。也会出现可编程PICs不能满足规格的应用。

论文地址

https://doi.org/10.1109/JSTQE.2020.2982980

 内容来源：中科院长春光机所Light学术出版中心

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