[논문 리뷰] Phase retrieval of programmable photonic integrated circuits based on an on-chip fractional-delay reference path

Xingyuan Xu, Guanghui Ren외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 29.

Photonic and Optical DevicesEngineering인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 칩 내 분수 지연 기반 참조 경로를 사용하여 프ogrammable 광학 집적 회로(PIC)를 위한 새로운 단계 복원 방법을 제안한다. 단지 삽입 손실 측정값과 표준 복소수 푸리에 변환을 활용하여 4타입 유한 임펄스 응답(FIR) PIC의 인과 응답을 유일하고 정확하게 식별함으로써, 추가적인 광다이오드나 출력 포트 없이도 정확한 캘리브레이션을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 점점 더 복잡해지는 프로그램 가능 광학 집적 회로(PIC)의 특성 분석 및 캘리브레이션 문제를 해결하기 위해.
• 다중 검출 포트와 복잡한 측정 설정을 필요로 하는 전통적인 단계 복원 방법의 한계를 극복하기 위해.
• 광다이오드나 출력 포트와 같은 추가 하드웨어 없이도 프로그램 가능 PIC에서 개별 탭 가중치를 정확하게 캘리브레이션할 수 있도록 하기 위해.
• 기존 PIC 제조 공정과 호환되며 실시간 또는 공정 후 캘리브레이션을 위한 확장 가능한 칩 내 솔루션을 개발하기 위해.

제안 방법

• 단일 칩 내 분수 지연 참조 경로를 통합하여 단계 복원을 위한 간섭성 기준을 생성한다.
• 다양한 파장 또는 주파수 범위에서 PIC의 삽입 손실을 측정하여 진폭 정보만을 확보한다.
• 측정된 삽입 손실에 표준 복소수 푸리에 변환을 적용하여 전체 복소수 인과 응답을 복원한다.
• 칩 내 분수 지연 경로에서 알려진 단-phase 관계를 활용하여 강도만으로 측정할 때 발생하는 단-phase 모호성을 제거한다.
• 고유한 단-phase 기준을 활용하여 PIC의 정밀한 복소수 전달 함수를 재구성한다.
• 정확한 탭 가중치 결정을 입증하기 위해 4타입 유한 임펄스 응답(FIR) PIC 설계에서 방법을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 칩 내 분수 지연 참조 경로가 삽입 손실 측정만으로도 프로그램 가능 PIC에서 단일한 단계 복원을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 알려진 단-phase 기준과 결합된 강도만의 데이터에서 프로그램 가능 PIC의 복소수 인과 응답을 얼마나 정밀하게 재구성할 수 있는가?
• RQ3 제안된 방법이 프로그램 가능 PIC의 캘리브레이션에서 추가 광다이오드나 출력 포트가 필요 없도록 하는가?
• RQ4 이 방법을 사용하여 유한 임펄스 응답(FIR) PIC의 개별 탭 가중치를 얼마나 정확하게 복원할 수 있는가?
• RQ5 이 방법은 기존 광학 집적 회로 제조 공정과 호환되며 확장 가능한가?

주요 결과

• 이 방법은 삽입 손실 측정값과 단일 칩 내 참조 경로만을 사용하여 4타입 프로그램 가능 PIC의 전체 복소수 인과 응답을 성공적으로 복원하였다.
• 재구성된 인과 응답은 이론적 기대와 높은 정밀도로 일치하여 단계 복원 과정의 정확성을 확인하였다.
• 추가 광다이오드나 출력 포트 없이도 개별 탭 가중치를 정밀하게 결정할 수 있었다.
• 표준 복소수 푸리에 변환을 강도만의 데이터에 적용하고 칩 내 분수 지연 참조를 결합함으로써 단-phase 모호성이 효과적으로 해결되었다.
• 실험 결과는 이 방법이 실용적 환경에서 복잡한 프로그램 가능 PIC의 캘리브레이션에 견고하고 적합하다는 것을 입증하였다.
• 이 기술은 확장 가능하며 기존 광학 집적 회로 플랫폼과 호환되어 향후 칩 내 캘리브레이션 시스템을 가능하게 한다.