[发明专利]一种可编程光子集成回路的合成设计方法

说明书

本发明公开了一种可编程光子集成回路的合成设计方法。该结构是由多个可调谐基本单元TBU在空间上拓展而构成的光子集成波导网格结构。选择可调谐基本单元的上、下臂相移，可分别实现直通、交叉状态的光开关，以及可调谐耦合器这三种不同的工作状态，从而整个网格结构可灵活实现多种不同的光学信号处理功能。对光子集成波导网格建立数字域模型，得到其传输函数表达式，然后在利用相关数字滤波器设计方法设计目标滤波谱，并对其传输函数表达式分解的基础上，直接确定光子集成波导网格中各TBU的工作状态和具体相移参数。本发明方法借助成熟的数字信号处理相关设计算法和工具箱来进行，方法简便，尤其是对网格单元数目较多的大型复杂网格结构设计更显其优越性。

技术领域

本发明涉及一种可编程光子集成回路的合成设计方法，以实现多种不同的光学信号处理功能。

背景技术

可编程光子集成回路类似于电子学领域中应用广泛的现场可编程门阵列(FPGA)，可灵活实现众多不同的光信号处理功能，从而大大减少设计、制造不同光子芯片所需的时间和成本，已在通信、人工神经网络和量子信息中获得成功应用。可编程光子集成回路由上、下臂具有相移可调功能的马赫-曾德尔干涉仪为可调谐基本单元，多个该可调谐基本单元以一定方式在空间上拓展而构成的光子集成波导网格结构。通过选择合适的每个可调谐基本单元的上、下臂相移，可分别实现直通、交叉状态的光开关，以及可调谐耦合器，这三种不同的工作状态，从而可灵活实现多种不同的光学信号处理功能。按照所需功能实现可编程光子集成回路的结构配置(合成设计)是该技术的关键所在。

以光学滤波功能的实现为例，目前可编程光子集成回路设计普遍采用基于传统两端口光学延迟线回路的设计方法。在先技术(参见J.Lightw.Technol.Jinguji,K.1995,13:73–82)和在先技术(参见J.Lightw.Technol.Jinguji,K.1996,14:1882–1898)分别对传统的两端口光学延迟线回路提出了实现有限脉冲响应滤波器和无限脉冲响应滤波器的合成方法。在先技术(参见JohnWileySons Inc.,Madsen,C.K.andZhao,J.H.1999)对有限和无限脉冲响应这两类滤波器的合成设计进行了系统描述。对可编程光子集成回路结构的滤波功能实现，在先技术(参见Nat.Commun.DanielPérez,IvanaGasullaet.al.2017,8:636)指出可编程光子集成回路的设计可通过采用在先技术中传统两端口光学延迟线回路的设计方法得到该结构的设计参数，然后再转化到可编程光子集成回路的结构参数来进行。该方法对可编程光子集成回路提出了一种结构设计的解决方案，但其只能针对某一种功能来进行合成设计，难以实现具有不同滤波功能的可编程光子集成回路的灵活设计。随着可编程光子集成回路的规模和结构的不断发展，简单、高效地灵活设计可编程光子集成回路实现多种不同功能变得尤为重要，急需发展新的合成设计方法。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种直接、简单的可编程光子集成回路的合成设计方法，可以灵活实现不同的光学滤波功能。

为达到上述目的，本发明的构思是：

基于数字信号处理思想，直接以可编程光子集成回路为对象，利用z变换，建立其数字域模型。在数字域设计一个满足目标滤波器性能指标的数字滤波器，通过使该数字滤波器传输函数的表达式与可编程光子集成回路的数字域传输函数表达式相等，从而确定光子集成波导网格中各可调谐基本单元的工作状态及其上、下臂的相移。

根据上述的发明构思，本发明的具体技术解决方案如下：

一种可编程光子集成回路的合成设计方法，步骤如下：

(1)基于z变换，建立可编程光子集成回路的数字域模型，计算其传输函数的表达式；

(2)按照所要实现的光学滤波功能及性能指标，利用数字信号处理中相关数字滤波器的方法设计一个数字滤波器，得到其数字域中传输函数的表达式；