光FPGA 芯片及其標定方法

曹國威，范詩佳，李智慧，梁宇鑫*

（聯合微電子中心有限責任公司，重慶 401332）

引言

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

現有的集成光電子芯片大多是面向特定應用的定制化芯片。由于集成光電子對應的配套設計工具及工藝穩定性尚不完善，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計優化才能滿足所需要的特定功能和性能。同時，與電芯片相比，大規模集成的光電子芯片正處于起步階段，流片產量往往要低幾個數量級。因此，多次的芯片迭代和較低的芯片產量大大增加了制作單片光電子芯片的時間成本和經濟成本，進而在一定程度上阻礙集成光電子產業的發展。

與電FPGA 類似，光FPGA 具有軟件定義可重構、高度通用性等優點，同一芯片可滿足多種功能及產品的驗證需求。因此，光FPGA 能大幅減少設計制作周期，降低新產品開發成本，提升研發效率，對于突破傳統芯片通信和運算架構的性能瓶頸具有重大科學意義和應用價值。近年來，基于MZI、微環/盤等可調基本單元構成的三角形、四邊形、六邊形光FPGA 網絡結構，在延遲、濾波、路由、波分復用等領域越來越受人們的關注，具有廣闊的應用前景，成為硅光領域的一個研究熱門。

然而，隨著光FPGA 網絡規模逐漸增大，光FPGA的TBU 標定偏差逐漸累積，控制精度下降，從而直接導致可編程功能實現的劣化，因此需要開發一種對集成光網絡的高精度標定和控制方法。本文依托聯合微電子中心有限責任公司（CUMEC）SOI 180nm 自主工藝平臺，完成2×2 六邊形網絡光FPGA 芯片的設計與制備，并針對光網絡標定問題提出了迭代逼近標定法，通過網絡標定路徑規劃和極值逼近思想實現光FPGA 網絡標定，標定后TBU 消光比可從20.98 dB 提高到34.5 dB，并進一步實現了光FPGA 可編程微環以及可編程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、功分和移相功能。本文使用的TBU 為光開關結構，基本結構見圖1，由兩個3 dB 分光的2×2 MMI 和熱移相器構成，即可單臂或雙臂加熱的等臂MZI 結構，支持開關與移相功能。熱調移相器損耗低、工藝簡單，在集成器件數量較多的光FPGA 中有較大優勢。由傳輸矩陣理論可知，該TBU 的傳輸矩陣為

圖1 可編程基礎單元結構圖

1.2 光FPGA 的結構原理

根據傳輸信號的方向性，大規模光網絡可分為前傳式網絡和反饋式網絡。前傳式網絡一般用于實現單一的光路由功能。反饋式網絡通過構建光環路網絡，使光傳輸具有更大的靈活性。本研究選擇六邊形反饋網絡設計制造光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，起到開關耦合控制的作用；帶有兩個黃色電極的TBU 代表雙臂熱調，起到耦合控制和相位控制的作用。本工作通過平鋪TBU實現如圖2（b）的扁平化網格設計，有效提高芯片集成度，有利于器件一致性和網絡規模提升。通過控制TBU 的開關狀態對光的傳輸路徑進行控制，可以實現光路由、微環和MZI 等多種功能。

圖2 2×2 六邊形網格光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 口采用標準8°光柵- 光纖陣列（Fiber Array，FA）垂直耦合封裝，熱調電極上的電I/O口經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 數量為20 個，電I/O數量為25 個。

圖3

2 光FPGA 的控制與功能實現

2.1 光FPGA 的TBU 標定

光FPGA 功能的實現依賴于對光網絡內各個TBU 的高精度控制，但由于工藝偏差導致TBU 之間存在差異，因此對所有TBU 進行準確的開關點標定至關重要。然而，六邊形網絡結構中絕大多數TBU 無法直接與光I/O 口相連進行標定，且由于器件數量眾多，標定結果易受網絡內部TBU 構成的復雜干涉結構的影響。針對上述標定問題，本文提出適用于光FPGA網絡結構的迭代逼近標定法，即通過網絡標定路徑規劃和極值逼近思想實現光FPGA 網絡標定，標定流程見圖4，具體步驟如下：

圖4 光FPGA 標定流程

①標定路徑規劃，確保網絡內所有TBU 均能通過規劃路徑實現標定，本工作中2×2 光FPGA 網絡的標定路徑見圖5。

圖5 光FPGA 標定路徑規劃圖

②選擇某一路徑，對首個TBU 進行電調曲線標定，標定后將此TBU 設置于開點。

③按照步驟②，按順序完成標定路徑其他TBU標定。

④重復上步操作，直到完成指定的迭代次數，得到標定路徑上所有TBU 的標定結果。

⑤對所有顏色的標定路徑重復以上迭代掃描標定步驟，得到所有TBU 的標定結果。

每次迭代中對TBU 開關點的設置，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，且網絡的環路結構使得傳輸到標定路徑以外的光很難再回到標定路徑上，減小了雜散干擾光的影響。迭代次數越多，各個TBU 越逼近實際開關電壓工作點，從而準確得到TBU 的開電壓、關電壓值。

圖6 和表1 展示了單個TBU 電調曲線和標定結果隨迭代次數的變化。TBU 的消光比隨著迭代次數增加而增大，5 次迭代后可從20.98 dB 提高到34.5 dB，證明迭代次數越多，標定結果越準確。進一步測試得到該TBU 的熱調電阻為1 260 Ω，結合開關電壓值，可得開關點半波功率Pπ 為18.6 mW。高消光比與低半波功率能夠保證光FPGA 編程光學功能的準確性和能耗的節約性，有利于大規模光網絡的集成。本文提出的標定方法不受整個光網絡大小和形態的限制，只需要對光FPGA 的網格結構進行合理、有效地拆分并進行足夠多次的迭代掃描，就可實現可編程基礎單元高效率、高精度的標定，且每條標定路徑只需要單一光功率監測結構，不需要針對每個TBU 加入額外的光功率監測結構。

圖6 TBU12 的電調曲線隨迭代次數變化圖(1～5 表示迭代次數)

表1 綠色路徑中TBU12 的標定結果隨迭代次數變化表

2.2 光FPGA 的功能實現

光FPGA 所有TBU 完成迭代掃描標定后，構建光FPGA 網絡內所有光開關的電光調諧模型。通過編寫光網絡的控制程序，實現上位機控制光網絡內所有TBU 的開關、耦合效率與相位，進而構建特定光學路徑，實現多種可編程光學結構，如圖7 所示的單網格微環結構。通過改變微環耦合效率和相位，測試其光譜變化（圖8）。在保持微環相位前提下，耦合效率的調節可以實現微環半峰全寬和消光比的控制，如圖8（a）所示，在微環諧振峰不動的情況下，實現了微環消光比0-28 dB 的調控，其中28dB 的消光比意味著微環達到臨界耦合狀態。在保持微環耦合效率的前提下，通過控制微環相位可實現微環諧振峰的調諧，如圖8（b）所示，諧振峰調諧范圍達到50 pm。

圖7

圖8

與程控微環同理，在上位機中配置光FPGA 可形成MZI 的網格路徑結構，如圖9 所示，通過對MZI 耦合效率、移相進行參數掃描，結果如圖10 所示。與微環類似，通過MZI 參數調制，實現了MZI 消光比0-43dB 的調控與20pm 的光譜調諧。光FPGA 搭建的微環與MZI 結構通過參數控制實能夠實現消光比與光譜調諧范圍的大范圍控制，均得益于光FPGA 網絡的高精度標定。

圖9

圖10

3 結論

光FPGA 因其特殊的光網絡結構和較大的光網絡規模，具有與電FPGA 類似的軟件定義可重構性和高度通用性，能夠極大地提高光芯片開發效率，拓寬集成光電領域產品。然而，光FPGA 的TBU 標定與控制偏差會隨著網絡規模擴大而逐漸累積，導致可編程功能實現的劣化。本文設計并制備了2×2 六邊形光FPGA 網格，并針對上述問題，提出了適用于光FPGA的迭代逼近標定法，通過網絡標定路徑規劃和極值逼近思想實現光FPGA 網絡標定，標定后TBU 消光比可從20.98 dB 提高到34.5 dB。得益于TBU 的高精度標定及控制，可編程微環和MZI 結構的消光比分別可達28 dB 和43 dB。本研究對光FPGA 的設計與控制進行了基礎驗證，為今后大規模的光FPGA 芯片的研發提供了技術支持。