光子矩陣乘法器實現(xiàn)方向探測傳感

逍遙設計自動化

引言
方向探測技術在雷達系統(tǒng)和無線通信等多個領域具有重要應用價值。本文介紹新型的光電子集成線路解決方案，用于光學頻段的到達方向估計，通過超小型設計實現(xiàn)實時傳感能力[1]。
+ x+ a! I, I7 o+ @

核心架構與工作原理
/ s. @0 t/ \5 C7 p' W3 u0 n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行采樣，將相位信息轉換為輸出端口的可檢測強度模式。
9 `+ F8 U' W3 W( t6 ~3 p& m
圖1：所提出器件概念的示意圖，展示了作為方向到達傳感核心處理器的光子模擬矩陣-向量乘法器。
3 B8 R1 A& X8 S/ j
6 Y0 h3 K& I+ z0 X) m# `( h3 m該架構由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。當平面波以角度θ到達陣列時，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，將相位斜率信息轉換為N個輸出端口的局部強度模式。
) j. _# V# H$ P
7 O' ?. w# `# ?* ?7 Y數(shù)學框架
! p4 ~" I5 D  {7 s: L, i- @% Y" [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，器件在相應的輸出端口產生單個脈沖。

圖2：輸出強度分布顯示了N=7時不同配置下（M=7、10紅色和M=4藍色）的系統(tǒng)響應，展示了輸入/輸出端口數(shù)量如何影響性能。

跟蹤機制
* W' v3 m# s3 R. a該器件實現(xiàn)了兩種跟蹤入射波角度的方法：
1. 連續(xù)跟蹤：利用輸出強度的位置加權平均
$ o. L/ \+ R7 z; I/ E2. 離散跟蹤：識別最大強度的輸出端口
* |6 I3 O4 \, j+ p
圖3：輸出強度分布|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。

0 Q% k1 P! ?8 Z& n實現(xiàn)考慮因素
光子線路實現(xiàn)采用奇異值分解(SVD)來實現(xiàn)所需的矩陣運算。該架構可以使用以下組件構建：

馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)

相變材料(PCM)

耦合波導陣列
8 Y# J2 _" ]3 j: W& r3 E8 _: U' L3 V
7 d  V* n( l- \0 `* _  j. R! Y4 E
% J. G6 m. D- F9 e% @圖4：架構示意圖顯示了MN和M=N情況下的不同配置，其中黃色塊代表相位調制器，紅色塊表示幅度調制器。

性能分析
系統(tǒng)性能取決于以下關鍵參數(shù)：
  M, h, Y8 g9 z4 Z! e

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)


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。
% c  f0 u2 c* j9 j* ]6 d& i- j
$ D! s/ d4 h! g% M# y# j' 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。該架構在以下方面具有特殊優(yōu)勢：

緊湊的尺寸

最小的數(shù)字信號處理要求

實時操作

可擴展設計
4 W% j  @( z, P
, ]# d# r7 f( k3 B" b( {/ ~結論
! k- ]3 X" e( Q8 _) Z光子方向探測傳感器代表了集成光學傳感技術的重要進展。利用最小處理開銷執(zhí)行實時到達方向估計的能力使其特別適用于激光雷達系統(tǒng)、自由空間光通信和遠程傳感等應用�？蓴U展的架構和靈活的實現(xiàn)選項為光子傳感技術的未來發(fā)展提供了良好的平臺。
  E/ m$ N, I, E$ d
5 T3 b1 v/ Y1 w6 k這里提出的設計原理和數(shù)學框架可以擴展到其他應用，包括光束轉向和用于各種傳感應用的可編程光子線路。對架構的進一步優(yōu)化可以在角度分辨率、視場和抗噪聲能力方面實現(xiàn)增強性能。

參考文獻
" L: \) B4 Y% ^: g6 p- [[1] K. Zelaya and M.-A. Miri, "Photonic Matrix Multiplier Makes a Direction-Finding Sensor," arXiv:2411.06731v1 [physics.optics], Nov. 2024.

' ~* V, [  y6 V( Y5 I' E3 V) xEND
. U5 n7 D6 `$ x; C
4 c% `! _( h; F+ m
軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗免費版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
; e4 `' F' z- F6 f7 R7 G點擊左下角"閱讀原文"馬上申請
- T2 m& C- k9 t4 n. j% l: `9 q
歡迎轉載

( x5 d& J" K' I" U! ^轉載請注明出處，請勿修改內容和刪除作者信息！


6 P% W2 r; I  i: U* `6 i


. k. n  s' W1 M1 N, ^關注我們

- h) b7 F' T. A9 b  j/ M

6 H7 y) f* i* ~! Z0 L

2 J) M, I( {6 [7 B1 c

                     
, t/ O1 }9 B0 m  u) i
, W' e/ N1 @- l
8 p& Y& Q0 {; i4 ^2 C1 P
關于我們：
深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導體芯片設計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設計和仿真軟件，提供成熟的設計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設計與仿真。我們提供特色工藝的半導體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務，廣泛服務于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領域的頭部客戶。逍遙科技與國內外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導體產業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術與服務。

8 \1 n9 s# T& T- T% L  R" m7 Ghttp://www.latitudeda.com/
5 m, U; T/ c/ q( k0 a( ~（點擊上方名片關注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內容）