可重构光子集成电路（PICs）是以光为介质来实现信号处理功能，其运行时配置需依赖电子控制层，来调整其构建元件的工作点，并补偿输入信号的热漂移或退化。近年来，光子芯片的加工工艺持续进步，其集成复杂度显著提升，这对适配的电子控制器提出了更高要求，因此亟需设计具备可扩展性的电子控制器，以满足复杂PICs的稳定运行需求。

来自意大利米兰理工大学的Emanuele Sacchi等研究人员设计了一种基于专用集成电路（ASIC）的电子控制器，其中的每个通道都可以独立控制PICs中的一个光学组件，最终通过多个并行的本地反馈环路实现PICs的全面控制，信号传输速率可达 50Gbit/s。

该文章近日发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Integrated electronic controller for dynamic self-configuration of photonic circuits”，意大利米兰理工大学的Emanuele Sacchi是论文的第一作者和通信作者。

研究背景

PICs具备全光信号处理的核心能力，且拥有较强的功能灵活性，可广泛应用于可重构滤波器、微波光子学、量子信息处理、神经网络等多个领域。

可重构与可编程PICs通常由集成光子器件构成，其整体功能通过按需设置各器件工作点来定义，因此必须配备专门的电子控制器实现运行配置。传统方案是在每个光子器件附近增设反馈控制环路，但该方案存在明显局限：一是随着 PICs 复杂度提升，控制器件的可扩展性会显著下降；二是所用分立元件体积大、功耗高，无法在单芯片上集成全功能控制环路，限制了控制系统的功率与效率。

相较于传统方案，ASIC是 PICs 控制的新选择——ASIC凭借可扩展性与模块化，能独立驱动单个光子器件，且功耗更低。但当前技术无法将ASIC扩展至“含数十个器件的大规模光学处理器”，进而限制了PICs动态重构的实现。尽管成熟的集成电路工艺已能够实现“ASIC 与 PIC 同一封装”的电子 - 光子协同设计，但从实际应用角度来看，该设计方案的性价比仍存在显著优化空间。

研究亮点

研究人员首先展示了可编程光子电路的示意图（图1a），并展示了其CMOS控制器的显微镜照片（图1b）。由于电子芯片的尺寸较为紧凑，当需要并行管理超过8个通道时，可将多个ASICs连接到单个PIC，图1c展示了两个ASICs与一个PIC的连接方式，确保该模式可扩展到大规模光学架构。

图1. 可重构光子电路的集成电子控制器

进一步，研究人员首先展示了 ASIC 的架构示意图（图 2a）。在模拟采集链的设计中，为实现对光生电流的精准检测，团队针对性设计了50 dB 的输入光功率动态范围——其中 30 dB 用于抵消马赫- 曾德尔干涉仪（MZI）与微环谐振器（MRR）的抑制比，额外20 dB 则用于适配光信号传输过程中可能存在的耦合损耗，并为系统提供可调光功率水平以保障检测灵活性。实验结果显示，该 ASIC 可成功检测功率范围在 0 dBm 至 - 50 dBm 之间的光信号（图 2b）；此外，团队通过测量执行器驱动电路的工作电流与耗散功率，进一步验证了该电路设计具备充足的功率驱动能力（图 2c）。

图2. 电子芯片的设计和表征

研究人员将所设计的ASICs应用于 16 通道硅光子集成自对准通用光束耦合器（UBC）的动态控制，并同步展示了配套集成光子电路的结构示意图与该电路顶视图的显微镜照片（图3a-b）。为进一步验证控制效果，团队采用两个ASICs 协同控制UBC，通过测量光子电路配置过程中的瞬态光电流（图3c），最终证实：无论该光子电路处于何种初始状态，均能通过该控制方案实现精准配置。

图3. 硅光子16通道自对准通用光束耦合器

研究人员进一步通过在光束传播路径中放置空间光调制器（SLM）以及热枪，分别引入具有可控轮廓的静态畸变以及湍流干扰，验证其波前畸变的动态校正功能（原文图4及图5），结果证实了自适应ASIC控制器的有效性。

最后，为验证技术的实际应用价值，研究人员将 ASIC 辅助的UBC应用于受波前畸变影响的高速自由空间光信号传输场景。当自由空间光束信号的符号率设定为25 Gbaud 时，团队对比采集了ASIC 控制器“激活”与“关闭”两种状态下，非归零开关键控（OOK）及脉冲幅度调制（PAM4）两种调制方式的信号眼图（图4a-b）。从眼图结果可清晰看出，ASIC 控制器工作时，接收光信号的质量获得显著改善，进一步印证了该控制器在高速光传输链路中的实用价值。

图4：高速自由空间光传输

总结与展望

针对包含大量可调元件的可重构光子集成电路（PICs），研究人员提出了一种可实现其动态重构的多通道专用集成电路（ASIC）控制器。该 ASIC 控制器具备三大核心特性：其一，通过并行反馈环路可实现 PICs 工作点的实时自动设置；其二，具备低功耗优势，每通道功耗约 10 mW；其三，拥有紧凑尺寸，整体尺寸约 12 mm²。

研究人员通过采用两个 8 通道 ASIC，成功实现了对 16 通道硅光子马赫 - 曾德尔干涉仪（MZI）网格的控制。该控制器不仅完成了输入光束的自动耦合与动态波前畸变补偿，还实现了 50 Gbit/s 脉冲幅度调制（PAM4）信号的稳定传输，充分证实了其在实际应用中的价值。

为进一步推动可编程光子电路的实用化进程，研究人员指出未来需从三个维度推进：一是硬件升级层面，通过先进制造工艺缩减ASIC 芯片尺寸、增加反馈环路的集成数量，并借助倒装芯片技术进一步提升整体集成密度；二是性能优化层面，既要改进控制算法以增强对更多类型光子器件的兼容性，也要尝试与非热执行器结合，进一步降低系统功耗；三是场景拓展层面，将优化后的控制系统应用于光路由、量子信息处理等关键领域，最终实现从技术研发到实际应用的落地转化。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01977-w