光學(xué)FPGA是什么？它是怎么工作的？

英國南開普敦大學(xué)Reed研究組最近在arXiv貼出了一篇硅光的研究進展 arXiv 1807.01656, “Towards an optical FPGA - Programmable silicon photonic circuits“?；阪N離子注入的硅波導(dǎo)工藝和激光退火工藝，他們實現(xiàn)了可擦除的定向耦合器，進而實現(xiàn)了可編程的硅基集成光路，也就是所謂的光學(xué)FPGA。

集成電路中的FPGA(field programmable gate array), 即現(xiàn)場可編程門陣列。FPGA內(nèi)部是一些基本邏輯單元，工程師可根據(jù)需要，將這些邏輯單元按特定的方式連接起來(燒錄)。FPGA的功能可根據(jù)設(shè)計者的需求而改變。其設(shè)計周期短，開發(fā)費用低，風(fēng)險較小。

光學(xué)FPGA的出發(fā)點是類似的，希望構(gòu)建一些基本的邏輯單元陣列，用戶可根據(jù)自身需求定義其功能。光芯片的基本單元是定向耦合器(directional coupler， 以下簡稱DC)。因而如何實現(xiàn)DC分光比的動態(tài)可調(diào)節(jié)，是需要解決的關(guān)鍵問題。典型的做法是以兩個3dB的DC構(gòu)成一個Mach-Zehnder干涉儀，在干涉儀的一條臂上通過熱效應(yīng)調(diào)節(jié)相位，進而達到分光比的動態(tài)調(diào)節(jié)，如下圖所示。該方法需要額外的功率輸出，當(dāng)DC的數(shù)目增大時，功耗也相應(yīng)增大。另外該方法中單個邏輯單元需要兩個DC, 浪費了較多的芯片面積，增大了產(chǎn)品成本。

Reed研究組采用Ge離子注入的辦法制備波導(dǎo)，該波導(dǎo)可通過激光退火的方法擦除。其制備藝與可擦除的光柵耦合器(硅光芯片的晶圓級測試)相似。Ge離子注入后，硅的晶格發(fā)生位移，引起波導(dǎo)有效折射率的改變。Ge離子注入后的波導(dǎo)，結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示，Ge離子的注入深度約140nm。

借助于Ge離子注入波導(dǎo)，研究人員提出了兩種分光比可調(diào)的定向耦合器結(jié)構(gòu)，如下圖所示。

左圖是正常DC中的一根波導(dǎo)由注入波導(dǎo)代替，右圖是在兩根普通波導(dǎo)中間插入一根注入波導(dǎo)，借助其實現(xiàn)光場的耦合。紅色區(qū)域為注入波導(dǎo)，其耦合區(qū)域的長度可以通過激光退火的方法進行改變，進而達到對分光比的調(diào)節(jié)，如下圖所示。激光束在注入波導(dǎo)區(qū)域來回掃描，可逐步減小注入波導(dǎo)的長度，進而導(dǎo)致drop端口的能量減小。

以此DC為基礎(chǔ)，研究人員進一步演示了1x4和2x2的光開光，如下圖所示，

其中1x4的光開關(guān)由三個DC構(gòu)成，2x2的光開光由四個DC構(gòu)成。這些DC的分光比都是可調(diào)節(jié)的，通過改變分光比，光場可以從不同端口輸出，對應(yīng)不同的邏輯門操作。

研究人員進一步提出了一個較復(fù)雜的集成光路結(jié)構(gòu)，通過DC分光比的改變，該光路可分別實現(xiàn)PSM4, WDM4和QAM的發(fā)送光路，如下圖所示，

最初的光路如圖a所示，改變MUX前端的DC分光比，使得光場不經(jīng)過MUX，直接到輸出端，對應(yīng)為PSM4；光場經(jīng)過MUX, 再傳輸?shù)絾蝹€GC輸出端，對應(yīng)為WDM4; 選取兩組MOD, 控制好它們間的相對相位為pi/2，就可以實現(xiàn)QAM編碼。該光路設(shè)計非常巧妙，fab只需提供給用戶類似圖a的光芯片，然后用戶再根據(jù)自身需求，自定義邏輯功能，也就是實現(xiàn)所謂的光學(xué)FPGA。由于出廠芯片里的光路一致，不需要額外定制，光芯片的成本也相應(yīng)地降低。

總體說來，該進展的設(shè)計非常巧妙，借助于可擦除DC，實現(xiàn)了可編程的集成光路。這也許是未來集成光路的一個重點發(fā)展方向。但是目前來看，該方案的損耗還比較大，普通波導(dǎo)和注入波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換損耗接近1dB, 其傳輸損耗也大于一般硅波導(dǎo)的傳輸損耗。當(dāng)多個DC組成邏輯陣列時，這么大的損耗顯然會影響其進一步的應(yīng)用與推廣。當(dāng)務(wù)之急是進一步改進工藝，實現(xiàn)較低的損耗，進而實現(xiàn)較復(fù)雜的邏輯陣列。