光子集成电路（Photonic integrated circuits，PICs）在近年来已经逐渐发展为一项成熟且强大的技术，PICs的概念与电子集成电路的概念类似，只不过电子集成电路集成的是晶体管、电容器、电阻器等电子器件，而PICs集成的是各种不同的光学器件或光电器件，比如激光器、电光调制器、光电探测器、光衰减器、光复用/解复用器以及光放大器等。

PICs在信息传输和处理领域有着不可比拟的优势，因此被广泛应用于光纤通信、光谱传感器及量子信息处理等应用中。但目前，绝大部分的PICs都是针对某一特定应用而对其进行设计并制造的，也被称为定制化光子集成电路，这就导致该PICs的光路及功能是固定不变的，无法适用于多种应用领域及应用场景，也在一定程度上增加了开发周期和开发成本。

为了解决这一问题，科研人员基于电子集成电路的发展经验提出了可编程光子集成电路的概念，可编程PICs可以基于目标功能需求使用软件进行编程，并通过电控和温控等方式对片上光波导及其他功能器件进行重新配置，从而实现对光信号的再次调控。这种可编程性使得PICs具备了功能重置的能力，降低了生产成本及技术障碍，并提供了一种可升级性的途径。

近日，比利时根特大学的Wim Bogaerts等人在Nature上发表了综述，题为“Programmable photonic circuits”，文中解释了可编程PICs中波导网格的基本概念和基本原理，分析了可编程PICs的相关技术支持并总结了可编程PICs的应用及发展前景。

一、光波导网络架构及相关算法

在可编程PICs中，主要依靠由2×2的耦合器模块或“模拟门”（相当于片上自由空间分束器）组成的光波导网络来控制光信号的传输。如图1a、b所示，马赫曾德尔干涉仪（MZI）便经常被用来实现2×2的耦合器模块，是光波导网络架构中的基本构建模块，它通过将两个光学移相器放置在MZI的不同位置来实现功率配比和相对相位延迟（图1 c、d），另外还可以在MZI中放置一个可控耦合器来实现对光路的方向控制（图1 e）。

图1 通用2×2耦合器模块

图源：Nature?586, 207–216 (2020). Fig 1

基于2×2耦合器模块以及波导模块，便可完成光波导网络的设计，目前光波导网络主要分为两大类：一种是单向网络，即光只能由in端传输至out端；另一种是循环网络，即光可以在网络中循环传输，甚至可以重新传输回in端。

（1）单向网络

在单向网络中，光在一个方向上进行传输，在每个阶段都可以使用2×2耦合器对其进行控制，这种架构可以通过编程设计进行简单的渐进设计，并可以针对某些简单情况和问题进行重新配置。

如图2所示，为具有5个输入端的三角形网络示例，该网络结构基本可以实现输入和输出之间的任何线性变换矩阵，例如可以通过调整MZI11、MZI12、MZI13和MZI14使得探测器D11~D14的功率为零，从而将来自1~5的所有输入光全部组合到Output1端口输出。该案例仅为简单的原理说明，在实际应用中可以通过配置算法使输入波导的光振幅和相位任意叠加，获得更为复杂的目标输出结果，另外除了三角形网络外，“二叉树”结构以及矩形结构等均能实现该要求。

图2?三角形网络示意图

图源：Nature?586, 207–216 (2020). Fig2(a)

（2）循环网络

循环网络是由多个2×2耦合器按照一定规律相互连接组成的规则二维环路，该环路的所有波导端口都可以由一个完整的散射矩阵进行调控，从而使光在循环网络中具有沿任意方向传输的能力。

循环网络的环路可以通过不同的结构进行连接，通常由正方形、六边形和三角形等，其中六边形网络结构具备超强的集成能力和重新配置能力，其所有端口都可互换的作为输入和输出端口，既可以将其编程为简单的单向网络，也可以将其编程为有限和无限脉冲响应的波长滤波器。

此外，网络中单元的数量越多，可编程的功能也就越多，但制造难度和成本也会越高；单元的尺寸越大，调控的方式就越灵活，但光学损耗又会增高，因此在实际应用中，需要根据实际的需要来对单元的数量、类型和尺寸以及工艺难度、成本进行评估优化，做出最恰当的选择。

图3?可编程PICs的功能层示意图

图源：Nature?586, 207–216 (2020). Fig 4

如图3所示，单向网络和循环网络都可作为通用可编程PICs的核心，但与电子可编程门阵列（FPGA）类似，除了核心光波导网络之外，可编程PICs还需要一组输入/输出光信号端口以及相关高性能模块，如光源、高速调制器、检测器、光放大器、延迟线和滤波器等，只有光波导网络与高性能模块相互配合才能够通过编程实现目标功能。