光子矩陣乘法器實(shí)現(xiàn)方向探測傳感

逍遙設(shè)計自動化

引言
' W6 O4 V. y7 e/ L方向探測技術(shù)在雷達(dá)系統(tǒng)和無線通信等多個領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。本文介紹新型的光電子集成線路解決方案，用于光學(xué)頻段的到達(dá)方向估計，通過超小型設(shè)計實(shí)現(xiàn)實(shí)時傳感能力[1]。
/ W1 C1 ^+ s3 N- B% b$ m

核心架構(gòu)與工作原理
所提出的器件使用光子矩陣-向量乘法器作為核心處理器，用于確定入射光信號的方向。系統(tǒng)采用光柵耦合器陣列對入射光波的波前進(jìn)行采樣，將相位信息轉(zhuǎn)換為輸出端口的可檢測強(qiáng)度模式。
; w! s( t5 n  F/ R
圖1：所提出器件概念的示意圖，展示了作為方向到達(dá)傳感核心處理器的光子模擬矩陣-向量乘法器。
% i/ m; C9 a# I
& e0 E4 `6 K9 _& }/ j% K/ q. c  p該架構(gòu)由M個光柵耦合器組成，這些耦合器以間距d排列成線性陣列。當(dāng)平面波以角度θ到達(dá)陣列時，光柵耦合器采集波前的離散樣本。這些樣本隨后由光子矩陣乘法器處理，將相位斜率信息轉(zhuǎn)換為N個輸出端口的局部強(qiáng)度模式。

8 ~# s" o5 q4 b  \數(shù)學(xué)框架
系統(tǒng)通過線性算子F ∈ CN×M處理入射信號，將包含采樣電場的輸入向量x(θ)映射到輸出向量y。對于一組離散入射角度{θn}N n=1，器件在相應(yīng)的輸出端口產(chǎn)生單個脈沖。

圖2：輸出強(qiáng)度分布顯示了N=7時不同配置下（M=7、10紅色和M=4藍(lán)色）的系統(tǒng)響應(yīng)，展示了輸入/輸出端口數(shù)量如何影響性能。
6 {( R9 B5 W1 e$ h: F0 M( e# b( f
跟蹤機(jī)制
該器件實(shí)現(xiàn)了兩種跟蹤入射波角度的方法：
1. 連續(xù)跟蹤：利用輸出強(qiáng)度的位置加權(quán)平均
2 h# D8 Y; f5 ]% Z$ J2. 離散跟蹤：識別最大強(qiáng)度的輸出端口
2 |$ V6 q, C  q8 y9 ~
: Y) ?+ O+ V# \圖3：輸出強(qiáng)度分布|F(δ)x(θ)|展示了不同配置（N=7，M=4、7和10）下系統(tǒng)對各種入射角度的響應(yīng)。

實(shí)現(xiàn)考慮因素
光子線路實(shí)現(xiàn)采用奇異值分解(SVD)來實(shí)現(xiàn)所需的矩陣運(yùn)算。該架構(gòu)可以使用以下組件構(gòu)建：
9 e& i4 i$ E9 S$ W# r

馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)

相變材料(PCM)

耦合波導(dǎo)陣列
7 W/ Z; X$ z6 ?% r5 V7 J

: [, Q# C2 [% s, D8 u0 {/ @圖4：架構(gòu)示意圖顯示了MN和M=N情況下的不同配置，其中黃色塊代表相位調(diào)制器，紅色塊表示幅度調(diào)制器。
" R  d% J! r% ]3 \
性能分析
系統(tǒng)性能取決于以下關(guān)鍵參數(shù)：

輸入端口數(shù)量(M)

輸出端口數(shù)量(N)

光柵耦合器間距(d)

孔徑角度(δ)
! K. M2 G/ r% o& J

5 ^, e1 ]9 ]6 V& v4 a圖5：距離函數(shù)和跟蹤性能分析，顯示(a)孔徑角度依賴性，以及(b-c)不同端口配置下的離散跟蹤函數(shù)行為。
! Q+ G+ X7 T4 |! F  y) h% q
即使在存在噪聲的情況下，該器件也表現(xiàn)出穩(wěn)健的性能，保持了可靠的角度檢測能力。該架構(gòu)在以下方面具有特殊優(yōu)勢：
# D) s  s8 \3 O3 V! A5 L

緊湊的尺寸

最小的數(shù)字信號處理要求

實(shí)時操作

可擴(kuò)展設(shè)計
) Z1 F% ^5 ]( k  }1 V
& m2 J0 g. H2 G% Q. E9 c結(jié)論
光子方向探測傳感器代表了集成光學(xué)傳感技術(shù)的重要進(jìn)展。利用最小處理開銷執(zhí)行實(shí)時到達(dá)方向估計的能力使其特別適用于激光雷達(dá)系統(tǒng)、自由空間光通信和遠(yuǎn)程傳感等應(yīng)用�？蓴U(kuò)展的架構(gòu)和靈活的實(shí)現(xiàn)選項(xiàng)為光子傳感技術(shù)的未來發(fā)展提供了良好的平臺。
, X" I/ l( T  Q) Q( w* e/ S
這里提出的設(shè)計原理和數(shù)學(xué)框架可以擴(kuò)展到其他應(yīng)用，包括光束轉(zhuǎn)向和用于各種傳感應(yīng)用的可編程光子線路。對架構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化可以在角度分辨率、視場和抗噪聲能力方面實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)性能。

2 f3 C8 E- l/ W4 q& ~0 c+ u9 H6 S參考文獻(xiàn)
) p; |6 D9 j5 n5 H5 `+ q[1] K. Zelaya and M.-A. Miri, "Photonic Matrix Multiplier Makes a Direction-Finding Sensor," arXiv:2411.06731v1 [physics.optics], Nov. 2024.
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