[論文レビュー] Phase retrieval of programmable photonic integrated circuits based on an on-chip fractional-delay reference path

Xingyuan Xu, Guanghui Ren+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2022

Photonic and Optical Devices被引用数 18

ひとこと要約

本論文は、オンチップの分数遅延リファレンスパスを用いて、プログラマブル光集積回路（PIC）のための新規位相再構成手法を提示する。挿入損失測定のみと標準的な複素フーリエ変換を用いることで、4タップの有限インパルス応答（FIR）PICのインパルス応答を一意かつ正確に同定し、追加のフォトダイオードや出力ポートを必要とせずに高精度なキャリブレーションを実現する。

ABSTRACT

Programmable photonic integrated circuits (PICs), offering diverse signal processing functions within a single chip, are promising solutions for applications ranging from optical communications to artificial intelligence. While the scale and complexity of programmable PICs is increasing, the characterization, and thus calibration, of them becomes increasingly challenging. Here we demonstrate a phase retrieval method for programmable PICs using an on-chip fractional-delay reference path. The impulse response of the chip can be uniquely and precisely identified from only the insertion loss using a standard complex Fourier transform. We demonstrate our approach experimentally with a 4-tap finite-impulse-response chip. The results match well with expectations and verifies our approach as effective for individually determining the taps' weights without the need for additional ports and photodiodes.

研究の動機と目的

• ますます複雑化するプログラマブル光集積回路（PIC）の特性評価とキャリブレーションの増大する課題に応えること。
• 複数の検出ポートと複雑な測定セットアップを必要とする従来の位相再構成手法の限界を克服すること。
• フォトダイオードや出力ポートなどの追加ハードウェアを追加せずに、プログラマブルPICにおける個々のタップウェイトの正確なキャリブレーションを可能にすること。
• 既存のPIC製造プロセスと互換性があり、リアルタイムまたはプロセス後キャリブレーションに適したスケーラブルでオンチップのソリューションを開発すること。

提案手法

• 位相再構成のためのコherentリファレンスを提供するために、分数遅延リファレンスパスを直接光集積回路に統合する。
• 波長または周波数の範囲にわたるPICの挿入損失を測定して、振幅のみのデータを取得する。
• 測定された挿入損失に標準的な複素フーリエ変換を適用し、完全な複素インパルス応答を再構成する。
• オンチップの分数遅延パスからの既知の位相関係を活用して、強度測定のみに起因する位相のあいまいさを解消する。
• 一意な位相リファレンスを用いて、PICの複素伝達関数を高い精度で再構成する。
• 4タップの有限インパルス応答（FIR）PIC設計を用いて、正確なタップウェイトの決定を実証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一のオンチップ分数遅延リファレンスパスを用いて、振幅（挿入損失）測定のみでプログラマブルPICにおける位相再構成を一意に可能にすることができるか？
• RQ2 既知の位相リファレンスと組み合わせた場合、強度測定のみからプログラマブルPICの複素インパルス応答をどの程度正確に再構成できるか？
• RQ3 提案手法により、フォトダイオードや出力ポートの追加がプログラマブルPICのキャリブレーションにおいて不要になるか？
• RQ4 有限インパルス応答PICにおける個々のタップウェイトを、この手法を用いてどの程度正確に再構成できるか？
• RQ5 この手法はスケーラブルであり、既存の光集積回路製造プロセスと互換性があるか？

主な発見

• 本手法は、挿入損失測定と1つのオンチップリファレンスパスのみを用いて、4タップのプログラマブルPICの完全な複素インパルス応答を正常に再構成した。
• 再構成されたインパルス応答は理論的期待値と高い忠実度で一致し、位相再構成プロセスの正確性を確認した。
• 追加のフォトダイオードや出力ポートを必要とせず、個々のタップウェイトを高精度で決定可能である。
• 標準的な複素フーリエ変換を振幅のみのデータに適用し、オンチップの分数遅延リファレンスと組み合わせることで、位相のあいまいさを効果的に解消できた。
• 実験結果により、本手法が複雑なプログラマブルPICの実用的環境下でのキャリブレーションに耐性があり適していることが示された。
• 本手法はスケーラブルであり、既存の光集積回路プラットフォームと互換性があるため、将来的なオンチップキャリブレーションシステムの実現が可能である。