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FOE | 前沿研究:回路级光电融合的基本概念与最新进展
发布时间: 来源: 高教学术公众号

  第一作者:谭旻

  通讯作者:谭旻、王星泽

  通讯单位:华中科技大学

内容简介

  集成光子被广泛认为是后摩尔时代的重要研究方向。然而,集成光子存在固有局限性,例如:缺乏灵活的控制和没有实用化的光存储器。以上问题无法在光学领域得到解决,必须与电子学结合才能推动集成光子的实用化,电和光最终将走向融合统一。随着光子制造和集成技术逐渐成熟,电光融合正在经历从器件集成到回路设计的转折(图1)。我们基于控制论中的有目的行为、信息论中的熵和物理学中的对称性破缺等基本概念,从第一性原理出发提炼出一个由稳定器、振荡器和存储器组成的可扩展集成回路概念框架。这个概念框架可以被视为一个独立于具体物理实现的可扩展性超构回路框架,人们可以把该概念框架与物理实现相结合生成具体和复杂的回路系统。基于此概念框架并借鉴集成电路设计的成功经验,我们提炼出光电融合芯片的核心模块并回顾其最新进展。相关工作以Circuit-level convergence of electronics and photonics: basic concepts and recent advances为题于2022年4月28日发表在Frontiers of Optoelectronics期刊上。

图1. 光电融合的设计层次

图文简介

  进展1 :光子器件设计的稳定性关键挑战

  受限于经济成本和物理制备极限,我们难以制造出完美的器件。实际上不同性能指标之间总是存在权衡,不存在完美的器件。把不完美的器件合成可靠系统是一种常见的做法,集成电路就是一个把不完美微电子器件合成可靠系统的一个范例。类似微电子器件,光子器件也存在诸多不完美特性,且难以通过改进物理制备得到彻底解决,微环的波长稳定性是典型的例子。光子器件的关键设计挑战包括片上激光器、光损耗、器件尺寸、带宽和稳定性等。

  稳定性是核心挑战,通常可以与其他性能指标进行折衷。由于制造误差和环境变化,光信号本质上难以避免相位不确定性的影响。所有相位敏感器件(例如微环、MZI)都存在稳定性问题,因此都是不完美的器件。几乎所有实际应用都包含一个或多个相位敏感器件,因此都存在光参数稳定性问题。以微环为例,其波长对波导厚度和宽度变化的敏感度大约为1nm/1nm。而厚度和宽度的变化很容易超过3nm。由于硅的晶格常数为 0.543 nm,即便实现原子级制造精度,波长粒度也约为0.543nm,难以支持需要更高波长精度的实际应用。实际上,大多数应用都需要精细的波长精度控制,例如10pm波长精度。仅靠改进制造技术在理论上不可能解决波长精度问题,主动反馈调节是实现所需精度的唯一方法。如图 2 所示,谐振器件通常以牺牲稳定性为代价获得更好的性能。若能够通过与集成电路融合的方式解决稳定性问题,则基于谐振器件的系统很可能在性能指标上全面超越基于非谐振器件的系统。

图2. 谐振器件稳定性与其他性能参数的折衷

  进展2. 可扩展集成回路概念框架

  集成电路旨在执行人类的意图。换句话说,它们执行有目的的行为,而有目的行为是一个奠定控制论基础的基本概念。反馈行为是有目的行为不可或缺的一部分,且是大多数实际应用所必需的。我们通常通过稳定器来执行反馈调节操作,从而实现有目的的行为。大数据量意味着高可扩展性,而高可扩展性是信息产业面临的主要挑战之一。数据包含有意义的信息,大数据则意味着大量信息。从信息论来看,信息是关于不确定性的消除,并采用熵来衡量信息量。已知的静态信号没有不确定性,因此没有信息。动态信号可以是周期性的或非周期性的。非周期信号有无穷多个,我们几乎不可能为每个非周期信号的产生、处理、传输和检测建立单独的电路。使用周期信号是更好的选择。然而,具有对称性的纯周期信号是确定性,因此不包含香农意义上的有用信息。信息起源于对称性的破坏。要创建信息就需要通过使用其他信号修改周期性信号来打破对称性,这些信号可以是外部输入信号或来自内部存储器的读出信号。由于我们希望最小化外部输入,因此大型系统通常需要存储器。存储器是构建时序逻辑的前提条件。反馈是稳定性、振荡和时序逻辑的先决条件,以反馈为中心的设计框架是任何执行有目的行为的集成电路的自然选择。如图3所示,稳定器、振荡器和存储器构成了一个可扩展三角,支撑了可扩展集成回路的概念框架。本质上,这个概念框架可以被视为一个独立于具体物理实现的可扩展性超构回路框架,人们可以把该概念框架与物理实现相结合生成具体和复杂的回路系统。并非所有集成回路都可以从这个超构回路框架中生成。然而,更复杂的集成回路通常由这三个关键元素组成。

图3. 通用可扩展集成电路的可扩展三角

  可扩展性三角存在于电域。这个可扩展性三角构成了模拟电路、射频电路和数字电路的核心。集成电路是可扩展的集成回路,以上三种类型的电路可以生成更复杂的系统。电子产业生态系统就是基于这三种类型的电路。其他信号域中的器件通常无法构建完整的可扩展性三角,必须与电子器件相结合才能实现可扩展性。例如,光子器件没有实用的存储器,因此其可扩展性有限。 

  进展3. 回路级光电融合

  仿效微电子行业的成功经验可以帮助我们在各个设计层次上发展光电融合。在材料层面,材料的相变特性首先在电子学中进行了探索,然后在光子学中进行了研究。在器件理论层面,光子带隙受到电子带隙的启发。在器件制造和集成层面,光子器件的制造极大地受益于微电子的制造基础设施。同样,集成电路设计也可被光电融合回路设计所借鉴。然而,我们如何在光电融合领域借鉴微电子的关键教训、流程和方法仍有待进一步努力。现有集成光路(PIC)、光电子集成回路(OEIC)和光电全集成回路(EPIC)的研究主要集中在器件制造和集成上,没有对稳定器、振荡器和存储器所构成的可扩展性三角进行研究。因此,它们都不能被视为实现有目的行为的可扩展光电融合回路技术。光电融合回路设计技术尚待开发中,同时也需要新的回路概念。我们将这种新型回路命名为电光异质融合中的集成回路(EPHIC),简称光电融合集成回路或光电融合芯片。创造这个新名字有以下几个方面的考虑:首先,使用新名称有助于我们将主要关注器件制造和集成的集成光路(PIC)和光电全集成回路(EPIC)区分开来;此外,由于经济和技术原因,单片电光集成回路可能在未来很多年都无法大规模生产;最后,为了强调融合过程是一个长期的演变过程,我们将用于光电融合的集成回路命名为电光异质融合中的集成回路(EPHIC),简称光电融合集成回路或光电融合芯片。EPHIC以集成电路和光子集成回路为基础,但更多地关注电子和光子之间的相互作用。

  进展4. 集成电路设计的成功经验

  由稳定器、振荡器和存储器组成的可扩展三角是构建可扩展回路连接的关键要素。由于集成电路是一种可扩展的技术,它必须具备可扩展三角的三个要素。在集成电路中,稳定器通过建立一个反馈回路,将输出电压调节到预期值,从而实现信号稳定性。振荡器产生周期性信号,是射频电路的关键组成部分。第一个集成电路是诺贝尔奖获得者杰克·基尔比制造的振荡器。为了使振荡器工作,需要一个反馈回路。对于线性系统,巴克豪森准则是产生振荡的必要条件。振荡器通常需要第二个反馈回路来稳定振荡频率。在时序逻辑中,过去的输出信号被存储起来,然后反馈到输入端参与当前的操作。存储器对于这种延迟反馈操作是必不可少的。在实践中,组合逻辑很少单独使用,通常需要与时序逻辑结合形成大规模系统。

  图4展示了集成电路从器件到电路的演进路线图。电子器件包括无源器件、有源器件、存储器等。反馈和存储器构成了稳定性、振荡和时序逻辑的基础,其中稳定性是模拟集成电路基础,振荡是射频集成电路基础,时序逻辑是数字集成电路基础。并非所有电路都可以分为以上三种基本类型,但是更复杂的集成电路通常由这三种类型的电路组成。摩尔定律使得我们可以得到尺寸更小、成本更低、性能更好的晶体管。而建模和电子设计自动化工具则极大地缩短了集成电路设计时间,提高了我们处理复杂电路的能力。

图4. 以反馈为中心的器件到回路的集成电路技术演进路线图

  进展5. 光电融合芯片的关键模块

  集成电路有完整的可扩展性三角,而集成光路只有振荡器,也就是激光器。由于不存在静止光子,我们没有类似电学寄存器的实用化光存储器。此外,我们也无法实现实用化的全光反馈参数调节。光电融合异质稳定器使用混合反馈回路稳定光信号。此外,混合反馈回路可以产生周期性信号,这个周期性信号可以是电信号也可以是光信号。

图5. (a) 电信号反馈控制. (b)全光反馈控制

  图5(a)展示了电信号反馈控制框图。模拟集成电路从理论、实践及设计自动化方面为电学稳定性奠定了坚实的基础,其中奈奎斯特定理是电学稳定性的理论基础。是否可以将电信号稳定性设计复制到光信号设计中,如图5(b)所示?这种方法如要获得成功,我们首先需要一个稳定的全光参考信号,然后需要全光比较器、全光信号处理器和全光调谐方法。如若没有稳定实用化的片上激光器,这种方法即使可能实现,也不太可能实现较好效果。迄今为止,电光混合反馈调节是实现光参数稳定性的唯一实用方法。图6 显示了光电混合反馈的概念框图。由于不能直接比较光信号,我们无法使用绝对参考来进行光信号稳定,而需要使用自参考方法来稳定光信号。其主要思想基于光器件的状态监测,采用光电混合反馈控制将其调节到期望值。为了使集成方案成为可能,我们需要在有限的片上资源情况下来解决这个问题,这带来了许多新的挑战。以微环的波长锁定为例,为了降低成本,我们无法采用成本过高的高性能ADC、DAC和FPGA/DSP等。目前,对于这些新的挑战,还没有成熟的解决方案。

图6. 光电混合反馈实现光参数稳定

  射频集成电路中的振荡器是一个成熟的研究领域。集成光子也有相对应的振荡器,也就是激光器。然而,受工艺制备偏差和环境变化影响,激光频率会发生漂移,需要通过光电混合反馈来稳定谐振频率。还有其他方法可以通过光电混合反馈回路生成或稳定周期性信号,例如光电振荡器、光学锁相环、电光锁相环和光学频率稳定等。

图7. 以反馈为中心的器件到回路的光电融合集成技术演进路线图

  图7展示了以反馈为中心的器件到回路的光电融合集成技术演进路线图。光电融合芯片在集成电路和光子集成回路基础上,更多地关注电和光之间的相互作用。光电融合芯片包括信号稳定和振荡两种重要的芯片类型。异质信号稳定器和异质信号振荡器需要混合反馈,它们分别构成模拟光电融合芯片和射频光电融合芯片的核心。异质信号稳定器和异质信号振荡器的闭环控制同时包括电信号和光信号。

  与数字集成电路不同,数字集成光路的信号强度会沿传播路径衰减,无法恢复到原来的值。从某种意义上说,数字集成光路本质上是模拟集成光路。由于没有类似集成电路的实用化光子存储器,实用化的时序数字集成光路将难以实现。此外,因为光子器件尺寸需要与波长匹配,集成光子器件不存在类似摩尔定律的缩放规律。为了加快光与电的融合过程,我们迫切需要发展紧凑建模方法和电光融合设计自动化 (EPDA) 工具。

  进展6.光电融合参数稳定的最新进展

  用于光参数稳定的异质稳定器旨在使用光电混合反馈控制使光参数不受制造误差和环境变化影响。混合反馈对于稳定光参数至关重要。光子器件的许多参数需要稳定,例如微环滤波器的谐振波长,马赫曾德调制器的偏置点等。该稳定器可以具有多个开环电子输入信号和多个闭环电子输入信号。例如,微环调制器具有高速开环驱动信号和用于热移相器的闭环功率输入信号。

图8. 光电融合稳定器的一般模型

  图8显示了光电融合稳定器的一般模型。监视器获取光子器件的状态信息。常用的监视器包括:(1)片上光电探测器,用于监测输出端口的光强度;(2) 片上温度传感器;(3) 谐振腔内光电导加热器,用于监测波导中的光强度;(4) 非接触式集成光子探针,用于测量波导电导率随光强度的变化。监控信息由控制器使用一些基本算法进一步处理,例如抖动、锁定到最大值或最小值、锁定到参考值等。然后,驱动器根据处理后的信号进行基于热光效应的热光调谐或基于等离子体色散效应的电光调谐,完成闭环调节循环。

  具体的光电融合异质稳定器实例包括微环谐振器波长控制、微环调制器波长控制、马赫增德尔调制器偏压控制、光芯片耦合输入光偏振控制、模式控制等。原文对各个实例研究进展给出了详细的介绍。

  进展7. 光电融合振荡产生和稳定的最新进展

  我们可以通过电光融合产生稳定的振荡信号,如波长稳定的激光输出、超低相位噪声的射频信号等。通过将输出信号锁定到一个稳定的基准,可以获得稳定的振荡信号。目前,产生稳定振荡信号的光电混合反馈系统主要包括光电振荡器(OEO)、电光锁相环(EO-PLL)、光学锁相环(OPLL)和激光稳频(LFS)四种类型。他们的主要特征及区别见表1。原文对光电融合振荡产生和稳定的具体实例做出了详细的介绍。

表1. 光电异质振荡信号生成方法

  进展8. 未来展望

  光电融合芯片是一个新兴的交叉学科研究领域,尚处于起步阶段,存在大量未被开发的研究内容。就光信号稳定性而言,目前已有一些波长稳定性的工作,但是偏振、模式等其他维度的光信号稳定性还鲜有人研究。光的多维属性虽然在长距通信实现了商用,但是尚未在短距及芯片级得到充分展现。长距通信通常需要功耗较大的DSP,无法满足短距的能效要求。“全光”信号处理有可能去掉高功耗的DSP,但是仍然需要光电混合环路来控制光子器件,本质上是一种电子协助的光学处理方法。通过光电融合方法提升混合闭环带宽对于性能的提升将变得非常重要。

  回路级光电融合研究领域才刚刚开启,相关的多维、多参数、多材料、非线性等内容值得进一步研究。目前集成光子大多用于通信领域,未来有望被拓展到计算、传感等领域。可扩展三角有可能从电域拓展到其他异质信号领域,从而创造新的研究空间。电域是目前唯一具备完整可扩展三角的信号域,其他信号域可以和电域结合形成新的融合集成回路。集成光量子目前也在经历从器件集成到回路设计的转折,最终也将与微电子相融合,形成量子光电融合。经典光电融合将是量子光电融合的基础,同时也是通往量子光电融合的关键一步。诸多文献指出量子集成技术需要一个新的抽象层次,本文所提出的超构回路框架以及光电融合芯片的研究经验将成为研究此新抽象层次的重要基础。新的异质融合芯片也将涌现出新的异质稳定器及异质振荡器。如图9所示,越来越多的信号域会走向融合。

图9. 多信号域的融合

总结

  随着摩尔定律走向终结,融合即将取代缩放成为信息产业的新驱动力。光电融合是后摩尔时代的重要研究领域,目前正经历从器件集成到回路设计的转变。我们提出了一个用于构建可扩展集成回路的超构回路框架,反馈在这个框架中起着核心作用。结合此框架与集成电路设计经验,我们提炼并回顾了光电融合集成回路的关键模块。紧凑建模和光电融合设计自动化工具将加快光电融合的发展进程。最后,集成电路和光电融合集成回路设计的经验可以拓展到其他多物理异质芯片研究领域。

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作者介绍

  谭旻,博导、研究员、华中科技大学光学与电子信息学院和武汉光电国家研究中心双聘教授。主要研究领域为光电融合集成回路设计,特别是功率、稳定性、硬件复用、光子器件紧凑模型及光电协同仿真等相关问题。主要研究贡献包括:通过集成电路设计与光子集成两个不同领域的有机结合,提出了以反馈为中心的器件到回路光电融合集成技术演进路线图,并基于传统模拟及功率集成电路设计研究基础,开拓和发展了模拟及功率光电融合芯片设计前沿方向, 在高性能运放、动态电源、硬件复用及光参数稳定性等方面做出了多项创新性的研究成果。目前已经在JSSC, TIT, TCAS-I, TCAS-II, JLT, OE, ISCAS等国际一流期刊和会议上发表一作及通讯作者论文40多篇,申请及获授权专利30余项。任ICTA等会议的技术委员会成员,《光通讯研究》期刊青年编委,《Frontiers of Optoelectronics》期刊青年编委,教育部学位与研究生教育发展中心评议专家,教育部学位中心博士论文评审专家,国家自然科学基金函评专家,中科院学部“光电融合集成”前沿交叉研判项目组成员,JSSC, TCAS-I, JLT, TPE, ISCAS, TCAS-II等多个杂志审稿人。开设了功率集成电路、高级功率集成电路、光电融合芯片与系统等课程。

  联系邮箱:mtan@hust.edu.cn

期刊简介

  Frontiers of Optoelectronics (FOE)期刊是由教育部主管、高等教育出版社出版、德国施普林格(Springer)出版公司海外发行的Frontiers系列英文学术期刊之一,以网络版和印刷版两种形式出版。由北京大学龚旗煌院士、西安电子科技大学张新亮教授共同担任主编。

  其宗旨是介绍国际光电子领域最新研究成果和前沿进展,并致力成为本领域内研究人员与国内外同行进行快速学术交流的重要信息平台。该刊的联合主办单位是高等教育出版社、华中科技大学和中国光学学会,承办单位是武汉光电国家研究中心。FOE期刊已被Emerging Sources Citation Index (ESCI), Ei Compendex, SCOPUS, INSPEC, Google Scholar, CSA, Chinese Science Citation Database (CSCD), OCLC, SCImago, Summon by ProQuest等收录。2019年入选中国科技期刊卓越行动计划梯队期刊项目。

《前沿》系列英文学术期刊

  由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》(Frontiers)系列英文学术期刊,于2006年正式创刊,以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题,是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群,其中13种被SCI收录,其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录,具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式,保证文章以最快速度发表。

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责任编辑:施惠文

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