光FPGA 芯片及其標(biāo)定方法

曹國威，范詩佳，李智慧，梁宇鑫*

（聯(lián)合微電子中心有限責(zé)任公司，重慶 401332）

引言

光電子集成技術(shù)[1-2]是未來信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前沿技術(shù)，基于該技術(shù)的高速光收發(fā)模塊在5G 通信等應(yīng)用中將起到重要作用[3]，光電融合技術(shù)的發(fā)展也有望解決高性能計算所遇到的內(nèi)存墻（memory wall）問題[4]。與此同時，光電子集成技術(shù)在人工智能、量子計算及智能傳感等領(lǐng)域也開始嶄露頭角[5]，并開始顛覆性地解決一些傳統(tǒng)電域所面臨的瓶頸問題。

現(xiàn)有的集成光電子芯片大多是面向特定應(yīng)用的定制化芯片。由于集成光電子對應(yīng)的配套設(shè)計工具及工藝穩(wěn)定性尚不完善，且其性能對制造誤差非常敏感，這些定制化芯片往往需要多次迭代和設(shè)計優(yōu)化才能滿足所需要的特定功能和性能。同時，與電芯片相比，大規(guī)模集成的光電子芯片正處于起步階段，流片產(chǎn)量往往要低幾個數(shù)量級。因此，多次的芯片迭代和較低的芯片產(chǎn)量大大增加了制作單片光電子芯片的時間成本和經(jīng)濟成本，進而在一定程度上阻礙集成光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

與電FPGA 類似，光FPGA 具有軟件定義可重構(gòu)、高度通用性等優(yōu)點，同一芯片可滿足多種功能及產(chǎn)品的驗證需求。因此，光FPGA 能大幅減少設(shè)計制作周期，降低新產(chǎn)品開發(fā)成本，提升研發(fā)效率，對于突破傳統(tǒng)芯片通信和運算架構(gòu)的性能瓶頸具有重大科學(xué)意義和應(yīng)用價值。近年來，基于MZI、微環(huán)/盤等可調(diào)基本單元構(gòu)成的三角形、四邊形、六邊形光FPGA 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在延遲、濾波、路由、波分復(fù)用等領(lǐng)域越來越受人們的關(guān)注，具有廣闊的應(yīng)用前景，成為硅光領(lǐng)域的一個研究熱門。

然而，隨著光FPGA 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模逐漸增大，光FPGA的TBU 標(biāo)定偏差逐漸累積，控制精度下降，從而直接導(dǎo)致可編程功能實現(xiàn)的劣化，因此需要開發(fā)一種對集成光網(wǎng)絡(luò)的高精度標(biāo)定和控制方法。本文依托聯(lián)合微電子中心有限責(zé)任公司（CUMEC）SOI 180nm 自主工藝平臺，完成2×2 六邊形網(wǎng)絡(luò)光FPGA 芯片的設(shè)計與制備，并針對光網(wǎng)絡(luò)標(biāo)定問題提出了迭代逼近標(biāo)定法，通過網(wǎng)絡(luò)標(biāo)定路徑規(guī)劃和極值逼近思想實現(xiàn)光FPGA 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)定，標(biāo)定后TBU 消光比可從20.98 dB 提高到34.5 dB，并進一步實現(xiàn)了光FPGA 可編程微環(huán)以及可編程MZI 的高精度控制。

1 光FPGA 的原理和制備

1.1 光FPGA 的TBU 原理

TBU 是光FPGA 的基本單元，具有開關(guān)、功分和移相功能。本文使用的TBU 為光開關(guān)結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)見圖1，由兩個3 dB 分光的2×2 MMI 和熱移相器構(gòu)成，即可單臂或雙臂加熱的等臂MZI 結(jié)構(gòu)，支持開關(guān)與移相功能。熱調(diào)移相器損耗低、工藝簡單，在集成器件數(shù)量較多的光FPGA 中有較大優(yōu)勢。由傳輸矩陣?yán)碚摽芍揟BU 的傳輸矩陣為

圖1 可編程基礎(chǔ)單元結(jié)構(gòu)圖

1.2 光FPGA 的結(jié)構(gòu)原理

根據(jù)傳輸信號的方向性，大規(guī)模光網(wǎng)絡(luò)可分為前傳式網(wǎng)絡(luò)和反饋式網(wǎng)絡(luò)。前傳式網(wǎng)絡(luò)一般用于實現(xiàn)單一的光路由功能。反饋式網(wǎng)絡(luò)通過構(gòu)建光環(huán)路網(wǎng)絡(luò)，使光傳輸具有更大的靈活性。本研究選擇六邊形反饋網(wǎng)絡(luò)設(shè)計制造光FPGA 芯片，如圖2（a）所示，包含21個TBU 和20 個光I/O（input/output）端口，其中帶有單個黃色電極的TBU 表示單臂熱調(diào)，起到開關(guān)耦合控制的作用；帶有兩個黃色電極的TBU 代表雙臂熱調(diào)，起到耦合控制和相位控制的作用。本工作通過平鋪TBU實現(xiàn)如圖2（b）的扁平化網(wǎng)格設(shè)計，有效提高芯片集成度，有利于器件一致性和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模提升。通過控制TBU 的開關(guān)狀態(tài)對光的傳輸路徑進行控制，可以實現(xiàn)光路由、微環(huán)和MZI 等多種功能。

圖2 2×2 六邊形網(wǎng)格光FPGA 示意圖

1.3 光FPGA 的制備

依托CUMEC 180nm 硅光工藝平臺，完成光FPGA 芯片的制備，如圖3（a）所示，封裝后的芯片如圖3（b）所示，光I/O 口采用標(biāo)準(zhǔn)8°光柵- 光纖陣列（Fiber Array，F(xiàn)A）垂直耦合封裝，熱調(diào)電極上的電I/O口經(jīng)由金屬走線至芯片邊緣的pad 以金線鍵合的形式耦合，整個光FPGA 的光I/O 數(shù)量為20 個，電I/O數(shù)量為25 個。

圖3

2 光FPGA 的控制與功能實現(xiàn)

2.1 光FPGA 的TBU 標(biāo)定

光FPGA 功能的實現(xiàn)依賴于對光網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各個TBU 的高精度控制，但由于工藝偏差導(dǎo)致TBU 之間存在差異，因此對所有TBU 進行準(zhǔn)確的開關(guān)點標(biāo)定至關(guān)重要。然而，六邊形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中絕大多數(shù)TBU 無法直接與光I/O 口相連進行標(biāo)定，且由于器件數(shù)量眾多，標(biāo)定結(jié)果易受網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部TBU 構(gòu)成的復(fù)雜干涉結(jié)構(gòu)的影響。針對上述標(biāo)定問題，本文提出適用于光FPGA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的迭代逼近標(biāo)定法，即通過網(wǎng)絡(luò)標(biāo)定路徑規(guī)劃和極值逼近思想實現(xiàn)光FPGA 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)定，標(biāo)定流程見圖4，具體步驟如下：

圖4 光FPGA 標(biāo)定流程

①標(biāo)定路徑規(guī)劃，確保網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有TBU 均能通過規(guī)劃路徑實現(xiàn)標(biāo)定，本工作中2×2 光FPGA 網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)定路徑見圖5。

圖5 光FPGA 標(biāo)定路徑規(guī)劃圖

②選擇某一路徑，對首個TBU 進行電調(diào)曲線標(biāo)定，標(biāo)定后將此TBU 設(shè)置于開點。

③按照步驟②，按順序完成標(biāo)定路徑其他TBU標(biāo)定。

④重復(fù)上步操作，直到完成指定的迭代次數(shù)，得到標(biāo)定路徑上所有TBU 的標(biāo)定結(jié)果。

⑤對所有顏色的標(biāo)定路徑重復(fù)以上迭代掃描標(biāo)定步驟，得到所有TBU 的標(biāo)定結(jié)果。

每次迭代中對TBU 開關(guān)點的設(shè)置，相比上次迭代而言，實際上減小了路徑中TBU 引起的干涉影響，且網(wǎng)絡(luò)的環(huán)路結(jié)構(gòu)使得傳輸?shù)綐?biāo)定路徑以外的光很難再回到標(biāo)定路徑上，減小了雜散干擾光的影響。迭代次數(shù)越多，各個TBU 越逼近實際開關(guān)電壓工作點，從而準(zhǔn)確得到TBU 的開電壓、關(guān)電壓值。

圖6 和表1 展示了單個TBU 電調(diào)曲線和標(biāo)定結(jié)果隨迭代次數(shù)的變化。TBU 的消光比隨著迭代次數(shù)增加而增大，5 次迭代后可從20.98 dB 提高到34.5 dB，證明迭代次數(shù)越多，標(biāo)定結(jié)果越準(zhǔn)確。進一步測試得到該TBU 的熱調(diào)電阻為1 260 Ω，結(jié)合開關(guān)電壓值，可得開關(guān)點半波功率Pπ 為18.6 mW。高消光比與低半波功率能夠保證光FPGA 編程光學(xué)功能的準(zhǔn)確性和能耗的節(jié)約性，有利于大規(guī)模光網(wǎng)絡(luò)的集成。本文提出的標(biāo)定方法不受整個光網(wǎng)絡(luò)大小和形態(tài)的限制，只需要對光FPGA 的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進行合理、有效地拆分并進行足夠多次的迭代掃描，就可實現(xiàn)可編程基礎(chǔ)單元高效率、高精度的標(biāo)定，且每條標(biāo)定路徑只需要單一光功率監(jiān)測結(jié)構(gòu)，不需要針對每個TBU 加入額外的光功率監(jiān)測結(jié)構(gòu)。

圖6 TBU12 的電調(diào)曲線隨迭代次數(shù)變化圖(1～5 表示迭代次數(shù))

表1 綠色路徑中TBU12 的標(biāo)定結(jié)果隨迭代次數(shù)變化表

2.2 光FPGA 的功能實現(xiàn)

光FPGA 所有TBU 完成迭代掃描標(biāo)定后，構(gòu)建光FPGA 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有光開關(guān)的電光調(diào)諧模型。通過編寫光網(wǎng)絡(luò)的控制程序，實現(xiàn)上位機控制光網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有TBU 的開關(guān)、耦合效率與相位，進而構(gòu)建特定光學(xué)路徑，實現(xiàn)多種可編程光學(xué)結(jié)構(gòu)，如圖7 所示的單網(wǎng)格微環(huán)結(jié)構(gòu)。通過改變微環(huán)耦合效率和相位，測試其光譜變化（圖8）。在保持微環(huán)相位前提下，耦合效率的調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)微環(huán)半峰全寬和消光比的控制，如圖8（a）所示，在微環(huán)諧振峰不動的情況下，實現(xiàn)了微環(huán)消光比0-28 dB 的調(diào)控，其中28dB 的消光比意味著微環(huán)達到臨界耦合狀態(tài)。在保持微環(huán)耦合效率的前提下，通過控制微環(huán)相位可實現(xiàn)微環(huán)諧振峰的調(diào)諧，如圖8（b）所示，諧振峰調(diào)諧范圍達到50 pm。

圖7

圖8

與程控微環(huán)同理，在上位機中配置光FPGA 可形成MZI 的網(wǎng)格路徑結(jié)構(gòu)，如圖9 所示，通過對MZI 耦合效率、移相進行參數(shù)掃描，結(jié)果如圖10 所示。與微環(huán)類似，通過MZI 參數(shù)調(diào)制，實現(xiàn)了MZI 消光比0-43dB 的調(diào)控與20pm 的光譜調(diào)諧。光FPGA 搭建的微環(huán)與MZI 結(jié)構(gòu)通過參數(shù)控制實能夠?qū)崿F(xiàn)消光比與光譜調(diào)諧范圍的大范圍控制，均得益于光FPGA 網(wǎng)絡(luò)的高精度標(biāo)定。

圖9

圖10

3 結(jié)論

光FPGA 因其特殊的光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和較大的光網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，具有與電FPGA 類似的軟件定義可重構(gòu)性和高度通用性，能夠極大地提高光芯片開發(fā)效率，拓寬集成光電領(lǐng)域產(chǎn)品。然而，光FPGA 的TBU 標(biāo)定與控制偏差會隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴大而逐漸累積，導(dǎo)致可編程功能實現(xiàn)的劣化。本文設(shè)計并制備了2×2 六邊形光FPGA 網(wǎng)格，并針對上述問題，提出了適用于光FPGA的迭代逼近標(biāo)定法，通過網(wǎng)絡(luò)標(biāo)定路徑規(guī)劃和極值逼近思想實現(xiàn)光FPGA 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)定，標(biāo)定后TBU 消光比可從20.98 dB 提高到34.5 dB。得益于TBU 的高精度標(biāo)定及控制，可編程微環(huán)和MZI 結(jié)構(gòu)的消光比分別可達28 dB 和43 dB。本研究對光FPGA 的設(shè)計與控制進行了基礎(chǔ)驗證，為今后大規(guī)模的光FPGA 芯片的研發(fā)提供了技術(shù)支持。