CN103278889A - 前馈式可调光延迟线 - Google Patents
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Abstract
一种前馈式可调光延迟线，包括多个依次串联的马赫-曾德尔干涉器，本级的马赫-曾德尔干涉器的一路输出端与下一级的马赫-曾德尔干涉器的输入端之间以长波导相连，本级的马赫-曾德尔干涉器的另一输出端与下一级的马赫-曾德尔干涉器的另一输入端以短波导相连；相邻两个马赫-曾德尔干涉器之间的光波导上还设有一对可调光衰减器。本发明中光信号在波导传播中未经过谐振结构，通过切换光信号的传播路径，实现以某一基准延时量为单位延时的连续调节，同时利用可调光衰减器抑制光波导上的串扰，从而最大程度的提高了延时带宽积。
Description
技术领域
本发明涉及的是光通信技术领域的集成器件，具体是一种基于2×2光开关与波导延迟线以及可调光衰减器的前馈式可调光延迟线，实现以某一基准延时量为单位的大范围延时连续调节，并最大程度地抑制由旁路信号干涉引起的串扰，提高延迟光信号的性能。
背景技术
可集成的光缓存是下一代高速光通信系统中的关键部件，是一种可用于光分组交换网络中实现全光处理以代替光网络包在路由节点需要的光-电-光转换的过程。经过现有文献检索发现，近年针对集成光缓存的方案主要包括利用耦合谐振腔在谐振波长附近的高色散来实现大延迟，特别是硅基微环耦合直波导的结构得到了广泛关注，如Francesco Morichetti等人2008年发表的“Error-free continuously-tunable delay at 10Gbit/s in a reconfigurable on-chip delay-line”和Jaime Cardenas等人2010年发表的“Wide-bandwidthcontinuously tunable optical delay line using silicon microring resonators”就是分别利用微环的CROW（Coupled-Resonator Optical Waveguide）与SCISSOR（Side-coupled Integrated Spaced Sequence OfResonators）结构实现了集成可调光缓存。然而，基于谐振色散的光缓存的缺点是单个微环延时带宽积有限，而多个微环造成的损耗较大，并且多个微环间很难精确对准，这大大限制了该方案的发展及普及。
可调光延迟线是实现集成光缓存的另一种方案。该方案主要利用光开关切换传播路径以实现可调延时，一般分为前馈型以及反馈型两种。相比反馈式结构的光延迟线，前馈式光延迟线具有易于控制、动态变化快、信号失真小等优点。由于信号在波导中传播没有经过任何谐振结构，延迟性能不会受到延迟带宽积的约束。
光开关是前馈式光延迟线的核心模块，可由马赫-曾德尔干涉器实现。由于工艺误差，基于马赫-曾德尔干涉器的光开光的两个输出端口消光比有限，光信号不能完全切换到一个端口输出，这就造成信号的串扰。在多级结构的前馈式光延迟线中，这种串扰随着级数的增加而放大，从而影响了输出光信号的质量。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种前馈式光延迟线，利用马赫-曾德尔干涉器（Mach-Zehnder Interferometer,MZI）作为光开关，利用可调光衰减器(Variable Optical Attenuator,VOA)最大程度地抑制串扰，提高缓存的光信号质量，以提升器件延时性能。
本发明的技术解决方案如下：
一种前馈式可调光延迟线，其特点在于，包括多个依次串联的马赫-曾德尔干涉器，本级的马赫-曾德尔干涉器的一路输出端与下一级的马赫-曾德尔干涉器的输入端之间以长波导相连，本级的马赫-曾德尔干涉器的另一路输出端与下一级的马赫-曾德尔干涉器的另一输入端以短波导相连。如此通过MZI的光开关切换可以实现不同长度的路径组合，以实现可调的前馈式光延迟线结构。由于本发明的延时结构仅针对单路光信号，因此在输入端的MZI仅使用其一路输入，而输出端的MZI仅使用其一路输出。
下一级的马赫-曾德尔干涉器的长波导和短波导的长度差是本级的马赫-曾德尔干涉器的长波导和短波导的长度差的2倍。
一种以某一基准延时量为单位的延时连续调节的方法，取第1级与第2级MZI间长波导与短波导的长度差作为基准延时单位△t，令第n级的MZI与第n+1级MZI间的长波导与短波导的长度差为2n-1·△t。因此对于拥有N个MZI的前馈式光延迟线，当光信号通过MZI切换在不同波导上传播时，可以实现t0至（2N-1-1）·△t+t0范围的延时调节，其中，基准延时单位△t是最小连续调节，t0是光延迟线的固有延时时间，即指当光信号每一级均经过短波导传播到输出端的延时量。
各长波导与短波导均可由弯曲波导构成，从而合理布置器件的版图结构以最大程度减小整体尺寸。
在相邻两个马赫-曾德尔干涉器之间的还设有一对可调光衰减器，具体是在相邻两个MZI之间的长波导与短波导上分别加入一个VOA。当信号通过其中一条路径时，由于MZI消光比有限，信号通过MZI后，会有一部分的能量耦合到另一条路径，从而形成串扰，因此可用VOA对其进行抑制，可以防止信号在进入下一级MZI后串扰被近一步放大。对于拥有N个MZI的前馈式光延迟线最多可加入N-1对VOA，即2·（N-1）个VOA，此时信号经过每一级MZI后形成的串扰在进入下一级MZI之前，都可以通过VOA抑制，系统的性能能够最大程度的提升。由于VOA需要用电极控制，为简化工艺与操作，不需要在所有MZI间均加入VOA，可以只在部分MZI间加入VOA，。这种情况虽然不是最优的系统性能的配置，但仍可以在一定程度上对串扰形成抑制。
与现有的技术相比，本发明的有益效果在于光信号在波导传播中没有经过谐振结构，通过切换光信号的传播路径，实现以某一基准延时量为单位的延时连续调节，同时利用VOA抑制光波导上的串扰，从而最大程度的提高了延时带宽积。
附图说明
图1是本发明前馈式可调光延迟线的结构示意图。
其中,1是输入端，2和3是一对VOA，4是MZI的3dB耦合，5是MZI的相位调制臂，6是输出端。
图2是本发明前馈式可调光延迟线的实现方案示意图。
图3是在未使用VOA的情况下，信号在传播中会存在一定自串扰的仿真结果，以及使用VOA（所有波导上均有VOA）对串扰抑制后的仿真结果。图3a是输入光波信号在时域上的包络，图3b是在未使用VOA的情况下光波经64bit延时（忽略系统固有延时t0）输出后的时域上的包络，图3c是光波在使用VOA的情况下光波经64bit延时输出后的时域上的包络。
图4a是图3b的光波经PD检测（PD为理想器件，无额外噪声引入）的电信号的眼图，图4b是图3c的光波经PD检测的电信号的眼图。
图5是MZI具有不同消光比情况下，光信号在0-127个各比特位延时调节下的信噪比分布。
图6是从输入端的MZI开始，在各光波导上依次加入VOA，对应光信号在0-127个各比特位延时调节下的输出信号的相对于串扰信号的信噪比的算术平均关于MZI的消光比的分布。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1是本发明前馈式可调光延迟线的结构示意图，如图所示，包括MZI，VOA以及光波导构成。相邻MZI之间以一个长波导以及一根短波导首尾相连，MZI的工作方式可根据实际情况选择双臂调制或单臂调制，图中所示情况为单臂调制。
第1级与第2级MZI间长波导与短波导的长度差作为基准延时单位△t，第n级的MZI与第n+1级MZI间的长波导与短波导的长度差为2n-1·△t。
各级MZI的长波导与短波导之间加入VOA，VOA的个数可根据实际情况配置，VOA越多，光信号质量越高，如图6所示，但会加大工艺及控制难度。VOA可利用硅基载流子吸收效应实现，如图1中所示，分别在硅光波导两侧区域掺杂形成p-i-n二极管，正向偏置下载流子注入进入波导区域形成对波导损耗的调节。
图2是本发明前馈式可调光延迟线的实现方案示意图。光信号输入系统后，经过每一级MZI时，根据该MZI的开关状态（CROSS或BAR）选择通过不同的路径。例如，光信号从上一级MZI连接的长波导进入下一级MZI，当MZI为BAR状态则被切换到长波导上，当MZI为CROSS状态则被切换到短波导上。各级MZI的开关状态由光信号所需的总延时决定。
对于消光比有限的MZI，当光信号通过该MZI时，在未被选择通过的路径上会出现串扰，则可以通过VOA抑制串扰。例如，光信号被切换到MZI连接的长波导上传播，则会有部分能量耦合至该MZI连接的短波导上，由此形成串扰，这时应开启该短波导上的VOA将串扰抑制，以防止该串扰进入下一级MZI对光信号形成进一步的影响。
为简化工艺与操作，可以只在个别MZI间的长波导与短波导上同时加入一对VOA，该方案的代价是牺牲了最优的系统性能的提升，但仍可以对串扰形成一定的抑制。
图3是在未使用VOA的情况下，即信号在系统中传播会存在一定自串扰的仿真结果，以及使用VOA（所有波导上均有VOA）对串扰抑制后的仿真结果。输入信号为中心波长为1550nm以40Gb/s速率调制的OOK光信号，基带的电驱动NRZ是27-1的伪随机二进制序列产生。系统共有8个MZI，每个MZI的消光比为21dB，系统的基准延时量对应基带1个比特位，可实现0-127个连续比特位的调节。该延时系统使用OptiSystem软件仿真。
图6是从输入端MZI开始，逐个加入VOA后，系统串扰抑制的对比图，随着VOA的个数的增加，串扰得到了有效的抑制。
实施例
本实施例中，MZI共为8个，MZI为单臂调制，消光比为21dB，在每两个MZI间的波导均加入VOA，即总共14个VOA，VOA采用p-i-n电极调节，系统基准延时量为25ps，输入为40Gb/s的中心波长1550nm的OOK信号。第1级和第8级两个MZI光开关在BAR状态时，光延迟线的输入和输出均连接到长波导。现在将OOK信号延时1600ps，即对应基带64比特位，根据64=1×26+0×25+0×24+0×23+0×22+0×21+0×20，权重0或1分别代表光信号经过某一级MZI时选择通过短波导或长波导传播以得到对应延时，因此需将第2、3、4、5、6、8个MZI置于BAR状态，第1、7个MZI置于CROSS状态，在未利用VOA抑制串扰的情况下，其延时效果如图3b所示。现开启第1、2、3、4、5、6个MZI的输出端所接的长波导以及第7个MZI的输出端所接的短波导上的VOA（衰减20dB），将其波导上的串扰信号抑制，其他波导上的VOA均不开启，则新的延时效果如图3c所示，是否使用VOA对串扰进行抑制的效果对比如图4所示。
通过上述步骤，本发明专利前馈式可调光延迟线可以实现对光信号以某基准延时量为单位的连续调节，并且通过对串扰抑制，大大调高了器件输出延时信号的质量。
Claims (5)
1.一种前馈式可调光延迟线，其特征在于，包括多个依次串联的马赫-曾德尔干涉器，本级的马赫-曾德尔干涉器的一路输出端与下一级的马赫-曾德尔干涉器的输入端之间以长波导相连，本级的马赫-曾德尔干涉器的另一路输出端与下一级的马赫-曾德尔干涉器的另一路输入端以短波导相连。
2.根据权利要求1所述的前馈式可调光延迟线，其特征在于，在相邻两个马赫-曾德尔干涉器之间的光波导上还设有一对可调光衰减器。
3.根据权利要求1或2所述的前馈式可调光延迟线，其特征在于，输入的光信号依次经过多个马赫-曾德尔干涉器，马赫-曾德尔干涉器作为2×2光开关连接不同长度的光波导，通过切换光信号在不同光波导上传播，最后输出延时后的光信号。
4.根据权利要求1或2所述的前馈式可调光延迟线，其特征在于，下一级的马赫-曾德尔干涉器的长波导和短波导的长度差是本级的马赫-曾德尔干涉器的长波导和短波导的长度差的2倍。
5.根据权利要求1或2所述的前馈式可调光延迟线，其特征在于，所述的长波导和短波导分别由弯曲波导构成。
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