图1. 光电融合技术的发展层次。

随着摩尔定律逐步走向终结，集成电路在功率、带宽、速度等方面逐渐逼近性能极限。光子器件可以突破集成电路在带宽、速度等方面的限制，但是缺乏实用的光寄存器及灵活的信号控制，必须与电子器件相结合才能够实现完整的功能。电子和光子现结合充分利用了光与电两方面的优点，被广泛认为是后摩尔时代的重要选项。光子器件受工艺偏差、温度扰动等因素影响比较严重，需要通过闭环反馈控制来维持稳定性和实现正确的状态控制。就硅基光电子而言，热光调制有较高的调制效率及低损耗，是最常用的调节手段之一，但同时也在设计上提出了新的要求，带来了新的挑战。目前国内外大多数的热光反馈控制尚处于版级电路的发展阶段，光学相控阵、光开关、光电神经网络等应用均需要使用大量光子器件，采用板级电路进行热调的方式已经无法满足面积、功耗、可扩展性等方面的需求。随着光子器件逐步走向成熟，光电融合技术即将从器件和集成阶段步入回路设计的下一发展阶段（图1），紧凑的光电融合集成回路（芯片）热调反馈解决方案将是光子集成系统可扩展化的关键。

图2. 热光反馈控制的通用框架。

本文在一个通用的框架下对热光反馈控制进行了详细讨论（图2），该通用框架包括光子器件、光信号监控单元、控制器、功率电路、热调相移单元等模块。该框架可以细化到不同的应用场景中，包括微环滤波器波长控制、微环调制器波长锁定、马赫-曾德尔调制器偏置控制、马赫-曾德尔干涉仪偏压控制、偏振控制、光学相控阵控制、光开关阵列等。现有的大多数设计都是板级解决方案，且没有深入研究系统可扩展性方面的问题，只有极少数的设计实现了芯片级的控制器。美国麻省理工学院、加州大学伯克利分校、加州理工学院等机构在光电混合芯片、光电全集成芯片等光电融合芯片方面开展了前沿的工作，实现了光电融合微环调制器、光电融合光学相控阵等芯片的原型。华中科技大学光学与电子信息学院和武汉光电国家研究中心谭旻课题组在光电融合芯片方面开展了前瞻性的研究工作，提出了光电融合芯片回路设计技术路线图，并在热光反馈控制建模仿真、系统可扩展化等方面进行了系列化的工作，提出了流水线时分复用的波长锁定控制方法，首次在国际上实现了光电全集成PWM闭环热光调节波长锁定芯片。

热光反馈控制对有稳定性和动态操作要求的硅基集成光子系统具有重要意义。本文提出的通用模型可以扩展到波长、偏振、模式等多个维度热光反馈控制的场景，同时也可以从经典光子学扩展到量子光子学。该模型也可以扩展到使用不同材料和结构的光子器件，例如薄膜铌酸锂、磷化铟器件等。与独立设计每个模块相比，基于整体化考虑的热光反馈光电协同设计可以帮助我们获得更好的性能，电子和光子终将融为一体，形成光电融合热光反馈控制回路。后摩尔时代已经来临，越来越多不同性质（光、磁、声、量子等）的新器件将与传统集成电路相融合，混合反馈控制将是实现未来异质系统稳定性、可控动态操作及可扩展化的关键，而光电融合热光反馈控制芯片技术将成为未来异质融合反馈控制芯片的基础，也为我们迈向未来技术提供了一个可行的切入点。

Towards electronic-photonic-converged thermo-optic feedback tuning

Min Tan, Kaixuan Ye, Da Ming, Yuhang Wang, Zhicheng Wang, Li Jin, Junbo Feng

J. Semicond. 2021, 42(2): 023104

doi: 10.1088/1674-4926/42/2/023104

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/42/2/023104?pageType=en