[论文解读] 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 DevicesEngineering被引用 18

一句话总结

本文提出一种新颖的相位恢复方法，用于可编程光子集成电路（PICs），采用片上分数延迟参考路径。仅通过插入损耗测量和标准复数傅里叶变换，该方法能够唯一且精确地识别4抽头有限冲激响应PIC的脉冲响应，实现无需额外光电二极管或输出端口的高精度校准。

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.

研究动机与目标

• 应对日益复杂的可编程光子集成电路（PICs）在表征与校准方面面临的挑战。
• 克服传统相位恢复方法依赖多个检测端口和复杂测量装置的局限性。
• 在不增加额外硬件（如光电二极管或输出端口）的前提下，实现可编程PIC中各独立抽头权重的精确校准。
• 开发一种可扩展且与现有PIC制造工艺兼容的片上解决方案，适用于实时或后制造校准。

提出的方法

• 将分数延迟参考路径直接集成于光子集成电路中，以建立相位恢复所需的相干参考。
• 测量PIC在不同波长或频率范围内的插入损耗，以获取仅含幅度的数据。
• 对测得的插入损耗应用标准复数傅里叶变换，以恢复完整的复数脉冲响应。
• 利用片上分数延迟路径已知的相位关系，消除仅强度测量固有的相位模糊性。
• 借助独特的相位参考，高精度重建PIC的复数传递函数。
• 在4抽头有限冲激响应（FIR）PIC设计上验证该方法，以证明抽头权重的精确确定。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一片上分数延迟参考路径是否能够仅通过幅度（插入损耗）测量实现可编程PIC中无歧义的相位恢复？
• RQ2 当结合已知相位参考时，从仅强度数据中能多大程度上重建可编程PIC的复数脉冲响应？
• RQ3 所提出的方法是否可消除可编程PIC校准过程中对额外光电二极管或输出端口的需求？
• RQ4 该方法在多大程度上可精确恢复有限冲激响应PIC中各独立抽头权重？
• RQ5 该方法是否具备可扩展性，并与现有光子集成电路制造工艺兼容？

主要发现

• 该方法仅通过插入损耗测量和单一片上参考路径，成功恢复了4抽头可编程PIC的完整复数脉冲响应。
• 重建的脉冲响应与理论预期高度一致，证实了相位恢复过程的准确性。
• 该方法可在无需额外光电二极管或输出端口的情况下，精确确定各抽头权重。
• 将标准复数傅里叶变换应用于仅幅度数据，并结合片上分数延迟参考，能有效解决相位模糊性问题。
• 实验结果表明，该方法具有鲁棒性，适用于实际环境中复杂可编程PIC的校准。
• 该技术具备可扩展性，并与现有光子集成电路平台兼容，为未来片上校准系统的发展奠定了基础。