[论文解读] Towards an optical FPGA - Programmable silicon photonic circuits

Xia Chen, Milan M. Milošević+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2018

Photonic and Optical Devices参考文献 27被引用 8

一句话总结

本文提出了一种新颖的方法，通过离子注入波导和局部激光退火技术，实现可重构硅光子电路的永久编程，该电路功能类似于光学FPGA。该技术可在无需持续供电的情况下实现后制程光路重配置，展示了具备非易失性功能的1×4和2×2可编程开关电路。

ABSTRACT

A novel technique is presented for realising programmable silicon photonic circuits. Once the proposed photonic circuit is programmed, its routing is retained without the need for additional power consumption. This technology enables a uniform multi-purpose design of photonic chips for a range of different applications and performance requirements, as it can be programmed for each specific application after chip fabrication. Therefore the cost per chip can be dramatically reduced because of the increase in production volume, and rapid prototyping of new photonic circuits is enabled. Essential building blocks for programmable circuits, erasable directional couplers (DCs) were designed and fabricated, utilising ion implanted waveguides. We demonstrate permanent switching between the drop port and through port of the DCs using a localised post-fabrication laser annealing process. Proof-of-principle demonstrators in the form of generic 1X4 and 2X2 programmable switching circuits were then fabricated and subsequently programmed, to define their function.

研究动机与目标

• 开发一种可重构硅光子平台，实现在无需持续供电的情况下对光路进行后制程编程。
• 通过实现单一芯片设计适用于多种应用，降低单芯片成本并加速原型设计。
• 通过局部激光退火工艺，实现光子电路的非易失性、永久性重配置。
• 制造并验证通用的1×4和2×2开关电路作为概念验证样机。
• 建立一种可扩展、均匀的光子芯片架构，适用于不同性能和应用需求。

提出的方法

• 采用离子注入技术修改波导特性，设计并制造可擦除的定向耦合器（DCs）。
• 利用局部后制程激光退火技术，永久改变DCs的耦合状态，实现从直通端口到drop端口的切换。
• 将这些可编程DCs集成到通用的1×4和2×2光子开关电路中。
• 利用离子注入在波导区域创建可调谐区域，实现受控的折射率变化。
• 选择性地对特定区域施加激光退火，以诱导永久的结构和光学特性改变。
• 通过实验演示程序化电路行为，验证光路功能。

实验结果

研究问题

• RQ1 离子注入的硅波导能否用于构建非易失性、可重构的光子器件？
• RQ2 局部激光退火能否永久改变硅光子电路中定向耦合器的耦合状态？
• RQ3 能否在无需功耗的情况下，对单一光子芯片设计进行后制程重编程以适用于多种应用？
• RQ4 使用该方法实现通用可重构开关电路（1×4和2×2）的可行性如何？
• RQ5 该方法能否实现应用特定光子集成电路的低成本、大批量生产？

主要发现

• 通过离子注入成功制造出可擦除的定向耦合器，并验证其可在drop端口和through端口之间实现永久切换。
• 局部激光退火实现了DCs的非易失性重配置，编程后路由状态可无限期保持稳定。
• 成功制造并编程了概念验证用的1×4和2×2可编程开关电路，以定义其光学路由功能。
• 路由配置在无额外供电情况下保持稳定，实现了节能型、应用特定的光子电路。
• 该方法支持快速原型设计和统一的芯片设计，适用于多样化应用，通过大批量生产降低单芯片成本。
• 该方法实现了光子电路的后制程定制，克服了固定功能光子集成电路的局限性。