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本文由Wim Bogaerts、Daniel Pérez、José Capmany、David A. B. Miller、Joyce Poon、Dirk Englund、Francesco Morichetti和Andrea Melloni等多位作者共同撰写，分别来自比利时根特大学、西班牙瓦伦西亚理工大学、美国斯坦福大学、加拿大多伦多大学、美国麻省理工学院、意大利米兰理工大学等研究机构。文章于2020年10月8日发表在《Nature》期刊上，主题为“可编程光子电路（Programmable Photonic Circuits）”。
随着集成光子技术的成熟，越来越多的复杂光子电路被集成在芯片上。传统的光子电路通常是为特定应用设计的，称为应用专用光子集成电路（Application-Specific Photonic Integrated Circuits, ASPICs）。然而，随着电路复杂性的增加，新一代可编程光子电路应运而生。这些电路通过软件控制，能够在运行时通过波导网络、可调光束耦合器和光学移相器实现多种功能。可编程光子电路的出现为光子学领域带来了新的可能性，尤其是在线性矩阵运算、量子信息处理和微波光子学等应用中。
可编程光子集成电路的核心在于通过波导网络控制光的流动。波导网络通常由2×2的光学门（类似于自由空间的光束分束器）连接而成。这些网络可以分为两类：前向型（forward-only）和循环型（recirculating）。前向型网络中，光从一端流向另一端；而循环型网络中，光可以在环路中流动，甚至返回到输入端口。这两种架构都使用波导、2×2耦合器和光学移相器作为基本构建模块。
2×2光学门是这些网络的关键组件，它通过线性组合将两个输入波导的光投射到两个输出波导上。最常见的实现方式是马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer, MZI），它通过两个光学移相器独立控制功率分束比和相对相位延迟。这些光学门不仅适用于前向型网络，也适用于循环型网络。
为了实现大规模波导网络的功能，可编程光子电路需要一系列技术支撑，包括驱动和监控电子器件、控制环路、配置软件以及光学和微波接口。这些技术栈与可编程电子器件类似，但增加了光子学功能。光子芯片的制造技术平台包括硅光子学、氮化硅光子学和磷化铟光子学等，这些平台通过晶圆级制造工艺实现高集成度。
相位移相器和可调耦合器是实现可编程光子电路的关键组件，它们需要低光学插入损耗和低电功耗。目前，大多数可编程光子电路使用电热调谐器来实现相位调制，但这些调谐器的功耗较高，响应时间较慢。为了克服这些问题，研究人员正在探索新的相位调制技术，如压电执行器、液晶材料和微机电系统（MEMS）等。
可编程光子电路在多个领域展现出巨大的应用潜力。在线性矩阵运算中，光通过波导网络的传播可以实现实时的矩阵-向量乘法运算，这在量子信息处理和人工智能中具有重要应用。在微波光子学中，高频电信号通过光学载波进行处理，可编程光子电路可以实现滤波、波形生成和可调延迟线等功能。此外，光学波束成形和传感应用也是可编程光子电路的重要应用领域。
例如，在光学波束成形中，通过精确控制每个光学“天线”的相位和振幅，可以构建复杂的光束。这种技术在激光雷达（Lidar）中具有重要应用。在传感应用中，光通过吸收、相位或波长响应的变化来检测多种现象，如生物分子检测、光谱测量和光纤布拉格光栅的读取等。
可编程光子电路有望改变人们使用相干光处理信息的方式。类似于可编程电子器件的发展历程，可编程光子电路将缩短光子芯片的开发时间，降低非重复性工程成本，并将产品开发从硬件转向软件。未来，光子电路和电子电路将互补共存，光子电路将专注于通信、传感和宽带模拟信号处理等领域。
可编程光子电路的发展还将推动光子学生态系统的形成，类似于电子领域的FPGA（现场可编程门阵列）。随着光子电路复杂性的增加，研究人员需要在更高的抽象层次上进行设计，并建立一定的标准化框架，以帮助设计师定义和模拟功能，而不受光子硬件供应商的限制。
本文系统总结了可编程光子电路这一新兴领域的最新进展，涵盖了光子构建模块、电路架构、电子控制和编程策略等多个方面。文章不仅为研究人员提供了全面的技术背景和理论支持，还为未来的应用开发指明了方向。可编程光子电路的出现将加速光子学技术的发展，推动其在通信、传感、量子计算和人工智能等领域的广泛应用。
通过详细介绍可编程光子电路的核心概念、技术栈和应用领域，本文为光子学领域的研究人员和工程师提供了宝贵的参考。随着技术的进一步发展，可编程光子电路有望成为光子学领域的“通用平台”，为未来的光子学应用开发提供更高的灵活性和可扩展性。