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这篇综述提出了一种新型硅基光子芯片，它基于通用模拟计算机（GPAC）概念，通过全光模拟计算实现了可重构的时空信号处理。该系统采用四通道架构实现空间复用，并利用并行可重构微环谐振器阵列（MRRs）进行波分复用微分运算，理论片上处理能力可达2.725 TOPS。同时，系统还集成了基于现场可编程门阵列（FPGA）的实时误差校正算法，以应对温度漂移和串扰，确保计算结果的保真度。实验展示了该系统在求解常微分方程（ODEs）、生成超宽带（UWB）信号、解调波分复用（WDM）二进制相移键控（BPSK）信号以及高速图像边缘检测等方面的应用，为下一代射频（RF）、微波光子学（MWP）和科学机器学习（SciML）中的物理信息神经网络（PINNs）提供了创新的硬件框架。
在后摩尔时代，随着半导体工艺逼近物理极限，传统数字计算在能耗和性能方面面临巨大挑战，这促使人们重新关注能够规避冯·诺依曼瓶颈的模拟计算范式。光子模拟计算凭借其高带宽、低延迟、强抗电磁干扰等固有物理优势，成为克服传统模拟计算瓶颈、尤其适合高速信号处理和下一代5G/6G射频（RF）系统的有效方案。然而，现有的光子模拟计算框架普遍缺乏足够的灵活性以适应多样化的应用场景。为了解决这些挑战，本文提出了一种创新的硅基光子芯片，该系统借鉴了香农提出的通用模拟计算机（GPAC）概念，通过全光模拟计算实现了可重构的时空信号处理。
系统设计与特征
系统的核心是一个四通道并行架构，包含两个光学交换矩阵和位于中间的四个核心处理单元。光学交换矩阵由五个马赫-曾德尔干涉仪（MZI）光开关通过拓扑级联构成，能够实现片上四通道的光信号路由、切换和合并。每个核心处理单元包含一个可重构的双环结构，即微环谐振器（MRR），它通过三个可调谐的MZI开关结构动态调节光耦合，支持40 GHz和20 GHz两种不同的自由光谱范围（FSR），并拥有15种可重构配置状态。MRR可被配置为时域光学微分器，对输入光信号执行一阶微分运算。通过配置MZI光开关的状态，整个芯片可被动态重构，实现复杂的模拟计算功能，例如构建光学回路以实现多步计算，或通过MZI的可调耦合器状态实现片上光信号的合并（加法运算）。
配置用于求解常微分方程
作为GPAC的标志性特征，该系统能够求解常微分方程（ODEs）。通过将MRR配置为微分运算单元，并利用可配置的MZI光开关和光学回环互连，系统可编程地求解一阶ODE。其原理是将输入脉冲信号馈入一个包含微分运算、系数放大（通过掺铒光纤放大器EDFA实现）和信号合并的反馈环中，迭代的信号处理最终收敛到一个稳定状态，此时的输出信号即是目标方程的解。实验结果显示，系统能够准确地执行一阶和二阶微分运算，并能成功求解以高斯脉冲为输入的一阶ODE，输出波形与仿真结果高度吻合。理论上，通过级联两个一阶ODE求解模块，该系统也可配置为求解二阶ODE，更高阶的ODE则可通过跨多级或多芯片扩展此级联方法实现。然而，实际扩展会受到累积光学损耗、放大器自发辐射（ASE）噪声和反馈环路稳定性等因素的限制。
基于FPGA的实时误差校正
硅基光子芯片对温度变化和制造缺陷敏感，这会导致微环谐振器工作状态漂移，严重影响模拟计算的可靠性。为此，系统实现了一种实时闭环误差校正机制。核心处理单元集成了片上锗（Ge）光电探测器（PD），持续监测微环下落端的光功率，其电流值直接指示MRR的耦合状态。基于此反馈，一个部署在现场可编程门阵列（FPGA）上的梯度下降算法动态调整片上热相位移位器的电压，以最大化PD电流，从而将MRR的谐振波长锁定在所需的临界耦合状态。实验评估表明，在30分钟的长时间运行中，无校正的系统表现出显著的不稳定性和随机波动，而主动控制算法成功抑制了这些波动，将PD电流的平均均方根偏差降低了约12.8倍。相应地，校正后系统输出的一阶微分波形保真度大幅提升，波形均方根误差降低了70.5%，皮尔逊相关系数保持在0.996，接近理想值，有效保障了模拟计算在环境干扰下的准确性。
微波光子学与通信应用演示
该系统能够处理广泛的微波-光子和射频应用。首先，实验演示了基于微分运算的全光超宽带（UWB）信号生成。通过将一个经过微分处理的高斯脉冲与一个未经处理的本地振荡器信号在芯片上合并，成功生成了符合美国联邦通信委员会频谱掩模要求的UWB信号。其次，展示了高速图像边缘检测应用。利用芯片的空间复用能力，可同时对图像行向和列向的一维化灰度信息进行微分计算，再将两个结果结合，从而获得比单方向计算更优的边缘检测效果。
该系统在频率域并行处理的优势，尤其体现在高速光通信中的波分复用二进制相移键控（WDM BPSK）信号解调上。通过将MRR配置为临时微分器以替代传统的延迟线干涉仪，可以实现BPSK信号的差分解调。实验成功演示了单波长32 Gbaud BPSK信号的解调，在应用简单的线性均衡器后，在7%硬判决前向纠错阈值下实现了-29 dBm的接收机灵敏度。更进一步，通过利用光学频率梳同时生成五个载波，并调制以25 Gbaud BPSK信号，系统利用同一个MRR成功实现了5×25 Gbaud WDM BPSK信号的并行解调，验证了其频域并行处理能力。
讨论
在性能评估方面，该系统核心处理单元基于硅基平台，其氮化钛加热器的调相效率约为2.2 mW/π，功耗相对较低。以BPSK信号解调为例，单波长32 Gbaud解调时，处理速度为32 GOPS。当利用同一个MRR解调5×25 Gbps WDM信号时，处理速度提升至125 GOPS。理论上，如果多波长信号覆盖整个C波段，单个MRR可同时解调109个通道的信号，从而实现高达2.725 TOPS的理论处理速度。在考虑插入损耗和串扰等实际因素后，实验中封装的芯片仍能达到约1.25 TOPS/MRR的计算吞吐量。
此外，该系统所实现的基础微分运算，对科学机器学习（SciML）中的物理信息神经网络（PINN）具有潜在的重要意义。PINN在训练目标中显式嵌入控制微分方程，需要反复、精确地计算网络输出对输入的导数。该系统在光域物理实现的微分算子∂/∂t，能够提供高保真度的模拟微分，其结果可直接馈送给数字后端，而基于FPGA的校准和纠错环路则确保整体计算的准确性和鲁棒性。这种混合范式为加速PINN、实现高效能的科学发现提供了新的硬件基元。
与现有的先进模拟计算芯片相比，该系统的主要优势在于：采用基于FPGA的实时误差校正算法确保了环境鲁棒性和长期稳定性；多通道并行处理设计通过同时实现波分和空分复用，提升了计算效率并保持了信号保真度与抗干扰能力。
结论
本文提出并展示了一种实现通用模拟计算概念的新型光子集成电路原型及其在微波光子学中的应用。该芯片采用多通道架构，核心基于可重构微环谐振器，能够执行全光模拟计算和频域并行处理。所集成的FPGA误差校正算法有效消除了由热串扰引起的微环漂移，确保了处理操作和结果的可靠性。实验上，系统成功演示了基于模拟微分计算的常微分方程求解、全光超宽带信号生成、高速图像边缘检测以及5×25 Gbps波分复用BPSK信号解调。通过利用核心处理单元的周期性频域响应，芯片实现了对多波长信号的并行处理，显著提升了计算吞吐量和能效。基于估算，芯片理论处理速度超过2.7 TOPS，为下一代射频光子学和科学机器学习应用提供了新的架构框架和创新方向。
