Reconfigurable Integrated Optoelectronics

Abstract

Integrated optics today is based upon chips of Si and InP. The future of this chip industry is probably contained in the thrust towards optoelectronic integrated circuits (OEICs) and photonic integrated circuits (PICs) manufactured in a high-volume foundry. We believe that reconfigurable OEICs and PICs, known as ROEICs and RPICs, constitute the ultimate embodiment of integrated photonics. This paper shows that any ROEIC-on-a-chip can be decomposed into photonic modules, some of them fixed and some of them changeable in function. Reconfiguration is provided by electrical control signals to the electro-optical building blocks. We illustrate these modules in detail and discuss 3D ROEIC chips for the highest-performance signal processing. We present examples of our module theory for RPIC optical lattice filters already constructed, and we propose new ROEICs for directed optical logic, large-scale matrix switching, and 2D beamsteering of a phased-array microwave antenna. In general, large-scale-integrated ROEICs will enable significant applications in computing, quantum computing, communications, learning, imaging, telepresence, sensing, RF/microwave photonics, information storage, cryptography, and data mining.

Integrated line-by-line optical pulse shaper for high-fidelity and rapidly reconfigurable RF-filtering

“…Photonic integrated circuits with 100s of active devices on a single chip are now manufactured and deployed in lightwave communications [17,18]. Leveraging these new fabrication methods, researchers have looked to migrate more novel RF-photonic systems to integrated platforms where they too can benefit from increased speed, reduced cost, improved robustness, and enhanced capability [19][20][21][22]. As noted above, one of the more powerful tools one can envision is a fully functioning integrated pulse shaper capable of line-by-line control.…”

Integrated optical delay lines: a review and perspective [Invited]

“…Rasras et al improved the N bit reconfigurable true delay line based on 2% index contrast waveguides by adding a microring resonator to the input port of the delay line to achieve a continuous delay through the slow light effect [104] . Fathpour and Nabeel proposed a design for wideband radar beamforming networks using silicon optical waveguides, pointing out that the free-carrier dispersion effect and the MZI optical switch can be used to realize a fast reconfigurable N bit true delay line [105,106] . A 4 bit integrated reconfigurable true delay line was realized based on Si 3 N 4 material and tuned by the thermo-optic effect.…”

Directed Logic Circuits Based on Silicon Microring Resonators

“…以 继 续 按 照 摩 尔 定 律 发 展 ， 电 子 信 息 处 理 能 力 的 进 一 步 提 升 遇 到 了 发 展 瓶 颈 。 但 是 随 着 技 术 的 发 展 ， 在 数 据 中 心 、 云 计 算 、 超 级 计 算 机 等 领 域 对 信 息 处 理 能 力 提 出 了 更 高 速 度 、 更 高 性 能 、 更 低 功 耗 、 海 量 计 算 等 要 求 。 因 此 ， 电 子 信 息 处 理 能 力 的 瓶 颈 与 应 用 领 域 对 计 算 能 力 不 断 增 长 的 要 求 之 间 的 矛 盾 逐 渐 突 出 ， 研 究 更 低功耗、 更高速、 更高性能的信息处理手段具有重要的意义， 已经成为新的热门研究领域。 2007 年， Hardy 等 [1] 提出一种全新的布尔逻辑运算机制， 称为导向逻辑器件 [1][2][3][4] 。导向逻辑的运算结果依 赖于光网络拓扑结构设计， 理论上该结构可以实现任何组合逻辑运算。导向逻辑的基本思想是依靠逻辑操 作 数 控 制 电 压 改 变 光 网 络 结 构 中 光 开 关 状 态 ， 从 而 控 制 光 传 播 方 向 ， 最 终 在 特 定 输 出 端 口 得 到 光 学 逻 辑 运 算结果。因此， 导向逻辑具有如下优势： 1)逻辑操作数对光开关的控制是独立、 同时完成的， 有别于传统电学 电 路 中 顺 序 执 行 计 算 、 后 级 电 路 等 待 前 级 计 算 结 果 ； 2)运 算 过 程 以 光 为 传 播 介 质 ， 具 有 高 带 宽 、 低 延 迟 等 特 最重要的是使用光开关实现各种基本逻辑运算器件。现有光开关种类很多， 例如微环谐振器(MRR) [5][6][7][8][9][10] 、 马 赫 -曾 德 尔(M-Z)光 开 关 等 。 因 为 微 环 谐 振 器 具 有 结 构 紧 凑、 滤 波 性 能 优 越、 制 备 工 艺 成 熟、 可 方 便 调 谐 等 优势， 已经广泛应用于光滤波器 [6] 、 电光调制器 [7][8] 和光开关 [9] 等领域。同时， 硅基材料具有较大的折射率差、 C 通信波段透明以及易于对光场形成强限制等优点， 在制备工艺上与大规模应用的互补金属氧化物半导体…”