CN103955147B - 一种微环光开关的控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微环光开关的控制装置，将光信号经微环光开关单元处理后送入到光谱检测单元，光谱检测单元检测出光谱变化并进行光电信号变换，再光谱检测单元输出的电信号依次经过数字信号处理单元和驱动信号产生单元生成适当的驱动信号，并通过驱动单元完成微环光开关的驱动和芯片的温度控制。这样实现了微环光开关的无制冷温度补偿，克服了微环光开关受温度漂移而劣化的缺点，同时降低了制作的工艺要求，能够应用于高速的交换网络中。

Description

一种微环光开关的控制装置
技术领域
本发明属于光纤通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种微环光开关的控制装置。
背景技术
在社会信息化进程中，光纤通信网络技术发挥了重要作用；全光交换技术能够保证网络的可靠性和提供灵活的信号路由平台，尽管现有的通信系统都采用电子交换技术，但发展中的全光网络却需要由光交换技术来实现网络的高速率和协议透明性。光交换技术为进入节点的高速信息流提供动态光域处理，仅将属于该节点及其子网的信息上下路并交由电交换设备继续处理，这样可以克服纯电子交换的容量瓶颈问题、大量节省建网和网络升级成本以及大大提高网络的重构灵活性和生存性，加快网络恢复的时间。
光网络的发展依赖于新型光器件的开发，并正在向全光高速、低功耗、智能等方向演进。另一方面，速度、带宽与集成度的增长，却导致器件功耗的显著增加，由于谐振特性可以被用来降低所需的调制相位量，谐振型光器件对于实现低功耗有很大的潜力，在众多的谐振结构中，环形谐振腔非常适合于利用平面波导技术制作，简单紧凑，结构灵活，且功能多，被认为是未来大规模集成光路中的基本元件。因而基于环形谐振腔结构，有望制作出满足商业要求的超小型、高性能的光开关。
光开关器件是构成光网络核心交换节点设备的最重要元件之一，广泛地应用于光通信、光计算、光互连和光信息处理系统，是众多光器件研究中的热点。近年来基于微环谐振器的集成光开关结构备受关注，它具有结构紧凑、集成度高等优点，可用于实现滤波、复用、解复用、路由、波长变换、光调制、光交换等功能，具有广泛的应用前景。
就微环光开关集成芯片的开发而言，芯片的设计和控制技术最为关键。为了实现微环芯片的高速开关功能，往往需要在芯片上制作PIN电极来改变注入半导体中载流子的浓度；同时，还需要制作半导体微加热电阻，利用热光效应弥补微环制作工艺误差。另一方面，为了保证微环光谱的稳定性，往往需要为整个芯片提供恒温环境。目前，解决微环光开关的温度敏感性的方法主要有两种：一种是通过在微环谐振器上集成微加热器来保持微环谐振器恒温，这种方案存在热耦合问题，而且随着集成微环数目的增加引脚也会变得越来越多，电路封装愈加困难；另一种减小微环光开关温度依赖性的方法是采用嵌入微环的热平衡干涉仪结构或者在包层中使用负热光系数材料，这种方案缺点在于芯片上的功能元件及其外围控制电路较多，其制作工艺复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种微环光开关的控制装置，使微环光开关得到温度补偿，克服了微环光开关受温度漂移而劣化的缺点，同时具有驱动速度快、制作工艺要求低的性能。
为实现上述发明目的，本发明一种微环光开关的控制装置，包括：
一微环光开关单元，包括微环、输入信道波导、输出信道波导和PIN结构；输入信道波导和输出信道波导位于微环两侧与微环耦合在一起，光信号由输入信道波导端口输入，当光信号满足微环的谐振波长时，光信号则通过输入信道波导与微环之间的耦合进入微环，进入微环内的光信号再通过微环与输出信道波导的耦合从下载端输出给光谱检测单元；当光信号不满足微环的谐振波长时，光信号从输入信道波导直通端输出给下一个微环光开关单元；
其特征在于，还包括：
一光谱检测单元，包括偏移滤波器和光电检测器；光谱检测单元接收到微环光开关单元输出的光信号后，先由偏移滤波器检测出微环光开关单元温度变化引起的光谱移动，再将偏移滤波器输出的光信号经过光电检测器转化为电信号，并将输出的电信号反馈给数字信号处理单元；
一数字信号处理单元，包括模数转换器、电滤波器和LABVIEW控制器；所述的LABVIEW控制器为编写有LABVIEW程序的个人电脑；光谱检测单元输出的电信号送入到模数转换器转换为数字信号，再通过电滤波器的数字滤波后，采集到更加平滑的数字信号，电滤波器输出的数字信号经过LABVIEW控制器的计算处理后，得到适当大小的反馈控制信号并输入给驱动信号产生单元；
一驱动信号产生单元，包括开关信号输入部分、现场可编程门阵列(FPGA)和数模转换器；FPGA接收数字信号处理单元产生的反馈控制信号和开关信号输入部分产生的开关信号，通过对开关信号和反馈控制信号分析计算后，生成合适的数字电驱动信号，数模转换器再将生成的数字电驱动信号转化为模拟电驱动信号输入给驱动单元；
一驱动单元，用于接收驱动信号产生单元产生的模拟电驱动信号，并经过放大、滤波和箝位后输出合适的驱动电压，将驱动电压反馈给微环光开关单元，通过改变加载到微环光开关单元PIN结构上的驱动电压来调节微环的谐振波长，从而控制微环光开关的开或关，并进行温度补偿。
其中，所述的偏移滤波器的通带放置在微环的谐振峰左边沿或右边沿；所述的驱动信号产生单元按照等时间间隔接收反馈控制信号。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种微环光开关的控制装置，将光信号经微环光开关单元处理后送入到光谱检测单元，光谱检测单元检测出光谱变化并进行光电信号变换，再光谱检测单元输出的电信号依次经过数字信号处理单元和驱动信号产生单元生成适当的驱动信号，并通过驱动单元完成微环光开关的驱动和芯片的温度控制。这样实现了微环光开关的无制冷温度补偿，克服了微环光开关受温度漂移而劣化的缺点，同时降低了制作的工艺要求，能够应用于高速的交换网络中。
同时，本发明微环光开关的控制装置还具有以下有益效果：
(1)、驱动信号生成单元产生的驱动信号能够实现微环光开关的开、关功能，同时还能进行温度补偿，克服了微环光开关受温度漂移而劣化的缺点；
(2)、将利用热光效应进行温度补偿的传统驱动控制方式更改为利用载流子色散效应进行温度补偿的驱动控制方式，不仅降低了制作工艺的要求，节约了成本，同时还提高了驱动速度。
附图说明
图1是本发明微环光开关的控制装置的一种具体实施方式架构图；
图2是图1所示数字信号处理单元的结构框图；
图3是图1所示驱动信号产生单元的结构框图；
图4是图1所示驱动信号产生单元生成数字电驱动信号的示意图；
图5是微环有效折射率变化量与驱动电压的关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明微环光开关的控制装置的一种具体实施方式架构图。
图2是图1所示数字信号处理单元的结构框图。
图3是图1所示驱动信号产生单元的结构框图。
图4是图1所示驱动信号产生单元生成数字电驱动信号的示意图。
在本实施例中，如图1所示，本发明微环光开关的控制装置，包括：一微环光开关单元1，包括微环、输入信道波导、输出信道波导和PIN结构；输入信道波导和输出信道波导位于微环两侧与微环耦合在一起，光信号由输入信道波导端口输入，当光信号满足微环的谐振波长时，光信号则通过输入信道波导与微环之间的耦合进入微环，进入微环内的光信号再通过微环与输出信道波导的耦合从下载端输出给光谱检测单元；当光信号不满足微环的谐振波长时，光信号从输入信道波导直通端输出给下一个微环光开关单元；
本实施例中，光信号基于1550nm的入射波长，以半径为5.56um，振幅耦合系数为0.1的微环结构为例；
一光谱检测单元2，包括偏移滤波器和光电检测器；当微环谐振波长和入射光波长相同时，微环处在开的最佳状态，然而由于微环谐振峰的对称性，当微环谐振峰发生移动时，光谱检测单元2检测到的光功率都变小，无法判断出谐振峰的移动方向，此时需要外加一个偏移滤波器打破这种对称性，即将偏移滤波器的通带放置在微环谐振峰的左边沿，也可以放置在右边沿，当谐振峰左移的时候，经过偏移滤波器输出的光功率变大；当谐振峰右移的时候，经过偏移滤波器输出的光功率变小。因此，光谱检测单元2接收到微环光开关单元1输出的光信号后，通过外加一个偏移滤波器可以检测出光谱的移动；偏移滤波器输出的光信号再经过光电检测器转化为电信号，而电信号的变化就直接映射出光功率的变化，最后把输出的电信号反馈给数字信号处理单元3；
一数字信号处理单元3，如图2所示，包括模数转换器、电滤波器和LABVIEW控制器；LABVIEW控制器编写有LABVIEW程序的个人电脑；光谱检测单元2输出的电信号送入到模数转换器转换为数字信号，再通过电滤波器的数字滤波后，采集到更加平滑的数字信号，电滤波器输出的数字信号经过LABVIEW控制器的计算处理后，得到适当大小的反馈控制信号并输入给驱动信号产生单元4；
本实施例中，模数转换器采用数字万用表，光谱检测单元2输出的电信号进入数字万用表转换为数字信号，通过电滤波器的数字滤波，使采集到的数字信号更加平滑，而LABVIEW控制器主要是将采集的数字信号映射为适当大小的反馈控制信号，如图2所示，具体包括个人电脑和LABVIEW程序，且LABVIEW程序是预选写入到个人电脑中；将采集的数字信号发送到个人电脑并在显示器上显示；
一驱动信号产生单元4，如图3所示，包括开关信号输入部分、现场可编程门阵列(FPGA)和数模转换器；FPGA接收数字信号处理单元3产生的反馈控制信号和开关信号输入部分产生的开关信号，如图4所示，通过对开关信号和反馈控制信号分析计算后，生成相应的数字电驱动信号，数模转换器再将生成的数字电驱动信号转化为模拟电驱动信号输入给驱动单元5；
考虑到微环谐振波长随温度的慢变特性，驱动信号产生单元4只需要按照一定的时间间隔接收反馈控制信号；
一驱动单元5，用于接收驱动信号产生单元4产生的模拟电驱动信号，并经过放大、滤波和箝位后输出合适的驱动电压，将驱动电压反馈给微环光开关单元1，通过改变加载到微环光开关单元1的PIN结构上的驱动电压来调节微环的谐振波长，从而控制微环光开关的开或关；驱动信号中包含有温度的变化信息，为了实现温度补偿，驱动单元5需要产生高精度的驱动电压。
本实施例中，与传统的驱动控制方法：联合使用PIN电极和加热电阻相比，传统的驱动控制方法使用加热电阻进行温度补偿，利用热光效应改变微环谐振器的有效折射率，其开关速度为微秒量级；本发明使用驱动PIN结构的方法进行开关的驱动和温度控制，利用载流子色散效应改变微环的有效折射率，其开关速度为纳秒量级，提高了微环光开关的驱动速度。
图5是微环有效折射率变化量与驱动电压的关系曲线图。
本实施例中，如图5所示，当电压小于0.7V时，微环谐振器的有效折射率不随电压的变化而改变，因此当温度引起有效折射率变化时，驱动单元需要产生大于0.7V的驱动电压进行有效折射率的补偿。当温度变化引起的有效折射率变化为Δneff时，为了补偿有效折射率的变化，如图5所示，所需的驱动电压由数字信号处理单元输出相应的反馈控制信号，再由驱动信号产生单元产生相应的模拟电驱动信号，最后通过驱动单元产生所需的驱动电压进行补偿。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种微环光开关的控制装置，包括：
一微环光开关单元，包括微环、输入信道波导、输出信道波导和PIN结构；输入信道波导和输出信道波导位于微环两侧与微环耦合在一起，光信号由输入信道波导端口输出，当光信号满足微环的谐振波长时，光信号则通过输入信道波导与微环之间的耦合进入微环，进入微环内的光信号再通过微环与输出信道波导的耦合从下载端输出给光谱检测单元；当光信号不满足微环的谐振波长时，光信号从输入信道波导直通端输出给下一个微环光开关单元；
其特征在于，还包括：
一光谱检测单元，包括偏移滤波器和光电检测器；光谱检测单元接收到微环光开关单元输出的光信号后，先由偏移滤波器检测出微环光开关单元温度变化引起的光谱移动，再将偏移滤波器输出的光信号经过光电检测器转化为电信号，并将输出的电信号反馈给数字信号处理单元；
一数字信号处理单元，包括模数转换器、电滤波器和LABVIEW控制器；所述的LABVIEW控制器为编写有LABVIEW程序的个人电脑；光谱检测单元输出的电信号送入到模数转换器转换为数字信号，再通过电滤波器的数字滤波后，采集到更加平滑的数字信号，电滤波器输出的数字信号经过LABVIEW控制器的计算处理后，得到适当大小的反馈控制信号并输入给驱动信号产生单元；
一驱动信号产生单元，包括开关信号输入部分、现场可编程门阵列(FPGA)和数模转换器；FPGA接收数字信号处理单元产生的反馈控制信号和开关信号输入部分产生的开关信号，通过对开关信号和反馈控制信号分析计算后，生成合适的数字电驱动信号，数模转换器再将生成的数字电驱动信号转化为模拟电驱动信号输入给驱动单元；
一驱动单元，用于接收驱动信号产生单元产生的模拟电驱动信号，并经过放大、滤波和箝位后输出合适的驱动电压，将驱动电压反馈给微环光开关单元，通过改变加载到微环光开关单元PIN结构上的驱动电压来调节微环的谐振波长，从而控制微环光开关的开或关，并进行温度补偿。
2.根据权利要求1所述的微环光开关的控制装置，其特征在于包括：所述的偏移滤波器的通带放置在微环的谐振峰左边沿或右边沿。
3.根据权利要求1所述的微环光开关的控制装置，其特征在于包括：所述的驱动信号产生单元按照等时间间隔接收反馈控制信号。
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