CN105700083B - 一种光子交换芯片驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光子交换芯片驱动装置，在常规的开关控制电路模块和芯片偏置电路模块之外，新设置了光性能监测模块、补偿电压生成模块和模拟运算电路模块。光性能监测模块检测得到工作输出端口的串扰值，补偿电压生成模块根据串扰值计算得到工作输出端口所对应整个交换路径的补偿电压，按照交换路径上各个光开关单元的偏置电压按比例分压，得到各光开关单元的补偿分电压，模块运算电路模块中包含若干个模拟加法器电路，每个模拟加法器电路对应一个光开关单元，模拟加法器接收芯片偏置电路模块输出的偏置电压和补偿电压生成模块输出的补偿分电压，叠加后输出给对应的光开关单元。本发明采用补偿电压来实现对光子交换芯片上光开关单元的稳定控制。

Description

一种光子交换芯片驱动装置
技术领域
本发明属于光通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种光子交换芯片驱动装置。
背景技术
随着信息化进程的推进，信息通信网络逐渐向全光交换网络演进，大规模光子交换芯片作为全光交换网络的核心技术，已成为光信息处理领域的研究热点，其中光交换功能的实现离不开高速光子交换芯片的控制技术。光开关不仅在实现高速光局域网的重构、路由时具有重要作用而且也是光交叉连接的重要器件。为了便于和光子器件集成，未来的光开关技术以高速、大带宽、低功耗、小尺寸为发展方向。
基于马赫-曾德干涉仪(MZI)以及微环等各种干涉结构的集成光交换芯片具有尺寸小、集成度高等优点而受到广泛关注。在硅基芯片中，载流子色散效应和热光效应等物理效应十分重要。载流子色散效应指的是载流子的注入或抽取导致光波导中自由载流子的变化引起折射率的变化，具有高速、偏振不敏感以及折射率变化大等优势，在光子交换芯片中利用电控电压来进行调节从而实现高速开关。热光效应是利用光波导的折射率随温度变化而变化，从而改变MZI两臂光程差。在基于MZI开关中主要利用热光效应来弥补工艺容差，调节芯片的工作状态。工艺容差在加工完成时已经确定，因此在特定温度时初始的热控电压也是可以确定的，但是随着外界温度的变化MZI两臂的光程差也是会发生改变的，此时热控电压也应该相应的发生改变。大规模光子交换芯片中涉及很多光开关单元，如何保证每个光开关单元总能工作在最佳状态，是一个具有挑战性的问题，而且温度的变化对于芯片来说也难以直接测量的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种光子交换芯片驱动装置，采用补偿电压来实现对光子交换芯片上光开关单元的稳定控制。
为实现上述发明目的，本发明光子交换芯片驱动装置包括开关控制电路模块、芯片偏置电路模块、光性能监测模块、补偿电压生成模块和模拟运算电路模块；其中：
开关控制电路模块根据光子交换芯片中光子交换路径的配置信息，生成N个光开关单元的控制信号；
芯片偏置电路模块生成N个光开关单元的偏置电压，将生成的偏置电压输出至模拟运算电路模块；
光性能监测模块监测光子交换芯片中最后一级光开关单元中工作输出端口的串扰值，将串扰值发送给补偿电压生成模块；
补偿电压生成模块从光性能监测模块得到各个工作输出端口对应的串扰值，计算工作输出端口对应的整个交换路径的补偿电压U2，按照交换路径上每个光开关单元偏置电压的大小按比例对补偿电压U2进行分压得到每个光开关单元对应的补偿分电压，将交换路径上每个光开关单元的补偿分电压输出至模拟运算电路模块对应的模拟加法器；
模拟运算电路模块包括N个模拟加法器电路，分别对应每个光开关单元；第i个模拟加法器电路从芯片偏置电路模块接收对应的第i个光开关单元的偏置电压，并从补偿电压生成模块接收到第i个光开关单元的补偿分电压，叠加后输出至第i个光开关单元，i＝1,2,…,N。
本发明光子交换芯片驱动装置，在常规的开关控制电路模块和芯片偏置电路模块之外，新设置了光性能监测模块、补偿电压生成模块和模拟运算电路模块；其中光性能监测模块检测得到工作输出端口的串扰值，补偿电压生成模块根据串扰值计算得到工作输出端口所对应整个交换路径的补偿电压，并按照交换路径上各个光开关单元的偏置电压按比例分压，得到各光开关单元的补偿分电压，模块运算电路模块中包含若干个模拟加法器电路，每个模拟加法器电路对应一个光开关单元，模拟加法器接收芯片偏置电路模块输出的偏置电压和补偿电压生成模块输出的补偿分电压，叠加后输出给对应的光开关单元。
与传统的光子交换芯片驱动装置相比，本发明的有益效果是，在芯片偏置电路模块和开关控制电路模块增加了由光性能监测模块、补偿电压生成模块和模拟运算电路模块组成的反馈控制电路，只需通过监测集成光交换芯片上最后一级的2×2光开关单元串扰性能，并借助于补偿电压算法，就可以实现光子交换芯片上所有光开关单元的稳定控制，无需直接测量芯片温度，电路结构简单，能够保证光子交换芯片的实时工作性能。
附图说明
图1是本发明光子交换芯片驱动装置的具体实施方式结构图；
图2是基于MZI的16×16光子交换芯片结构图；
图3是2×2光开关单元的结构图；
图4是本实施例中光性能监测模块的结构图；
图5是光子交换芯片中单个MZI的校准曲线图示例图；
图6是基于硬件电路的补偿电压生成模块的结构图。
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是本发明光子交换芯片驱动装置的具体实施方式结构图。如图1所示，本发明光子交换芯片驱动装置除了常规的开关控制电路模块1和芯片偏置电路模块2外，还增加了光性能监测模块3、补偿电压生成模块4和模拟运算电路模块5。接下来分别对于各个模块进行详细说明。
●开关控制电路模块
开关控制电路模块1根据光子交换芯片中光子交换路径的配置信息，生成N个光开关单元的控制信号，以控制光开关的切换。其中N表示光子交换芯片中光开关单元的数量。光子交换路径一般是通过外部控制面板来配置的。本发明中开关控制电路模块1的具体实现方式与常规光子交换芯片驱动装置的开关控制电路模块相同，在此不再赘述。
●芯片偏置电路模块
芯片偏置电路模块2的主要作用是生成N个光开关单元的偏置电压，以弥补工艺误差。芯片偏置电路模块2的具体实现方式与常规光子交换芯片驱动装置的芯片偏置电路模块相同，区别在于：在现有技术中芯片偏置电路模块2生成的偏置电压是直接输出给各个光开关单元的，而在本发明中，芯片偏置电路模块1生成的偏置电压输出至模拟运算电路模块5。
图2是基于MZI的16×16光子交换芯片结构图。如图2所示，该光子交换芯片一共有16个输入端口和16个输出端口，采用七级BENES结构，共计56个光开关单元。在每个MZI(马赫-曾德尔)的干涉臂上都耦合加载了热电阻和PIN二极管，因此需要56路电控电压和56路热控电压。电控电压根据载流子色散效应通过改变加载在干涉臂PIN二极管上的电压值来实现交换单元的快速切换；热控电压根据热光效应改变热电阻上电压来弥补芯片加工中的工艺误差。
对于基于MZI干涉结构的光交换集成芯片，从原理上讲，由于加工工艺容差使得MZI两臂长L0和L1不相等，施加热控电压之后，由于热光效应使得光通过两臂光程差为0，此时有nL0＝(n+ΔnV)L1，得到交叉臂的透射率芯片处于最佳工作点。式中n为折射率，ΔnV为施加热控电压导致的折射率该变量。如果外界温度变化使得(n+ΔnT)L0≠(n+ΔnT+ΔnV)L1，同时会产生较明显的串扰，具体表现为输出端的串扰和直通臂输出端功率的变化，那么芯片工作点就发生了偏移，因此需要增加补偿电压，以实现对光开关单元的稳定控制。
●光性能监测模块
光性能监测模块3依次监测光子交换芯片中最后一级光开关单元中工作输出端口的串扰值，将串扰值发送给补偿电压生成模块4。
图3是2×2光开关单元的结构图。如图3所示，如果信号光输入为P，当输出信号光为直通端时直通端功率为P11，交叉端口功率为P12，则串扰值C定义为反之，如果信号光从交叉端输出，则串扰性能定义为也就是说，记工作输出端口的输出功率为P，与其在同一光开关单元的输出端口的输出功率为P′，则工作输出端口的串扰值
串扰值的监测方式，也就是光性能监测模块3的具体结构可以根据需要来确定。图4是本实施例中光性能监测模块的结构图。如图4所示，本实施例中光性能监测模块3包括监测控制模块31，两个平衡光电探测器32，串扰值计算模块33和滤波器34，两个平衡光电探测器分别连接所最后一级光开关单元中每个光开关单元的两个输出端口。其监测过程为：在控制时隙，监测控制模块31根据光子交换芯片中光子交换路径的配置信息得到最后一级光开关单元中工作输出端口的序号，依次进行检测。对于当前的工作输出端口，如果其所在光开关单元的另一个输出端口为空闲，监测控制模块31向两个平衡光电探测器32发送控制信号，检测当前工作输出端口与所在光开关单元的另一输出端口的输出功率；如果工作的输出端口所在光开关单元的另一个输出端口也为工作端口，监测控制模块31向开关控制电路模块1发送切换信号，关闭另一个输出端口的输入，然后向两个平衡光电探测器32发送控制信号，检测当前工作输出端口与所在光开关单元的另一输出端口的输出功率。两个平衡光电探测器将所检测到的输出功率发磅给串扰值计算模块33，串扰值计算模块33根据串扰值的计算公式计算得到串扰值，输出至滤波器34。滤波器34对串扰值进行滤波，排除噪声干扰，然后输出给补偿电压生成模块4。
●补偿电压生成模块
补偿电压生成模块4从光性能监测模块3得到各个工作输出端口对应的串扰值，计算工作输出端口对应的整个交换路径的补偿电压U2，按照交换路径上每个光开关单元偏置电压的大小按比例对补偿电压U2进行分压得到各光开关单元补偿分电压，将交换路径上每个光开关单元的补偿分电压输出至模拟运算电路模块5对应的模拟加法器。由于每个光开关单元有两个输出，因此每个光开关单元可能同时存在两条路径，那么该光开关单元可能存在两个补偿分电压，则将这两个补偿分电压求和，再输出至模拟运算电路模块5。
对于单个光开关单元可以用公式来建立补偿电压U2和温度、串扰值和温度之间的关系，联立公式可以求得当前串扰值所对应的补偿电压。但是本发明针对的是整个交换路径，其公式推导十分复杂，因此本发明采用经验补偿曲线来计算补偿电压U2，其具体方法为：对于光子交换芯片中的每条可能交换路径分别进行实验，改变外界温度，利用光性能监测模块3监测输出端的串扰值，然后手动调控偏置电压使输出性能达到最佳，并记下此时温度对应的串扰值以及调控后的偏置电压，取得多组数据后通过曲线拟合得到补偿电压随串扰值变化的校准曲线，存储在补偿电压计算模块41中。然后在实际应用时，先查询得到当前交换路径对应的校准曲线，根据当前串扰值计算得到补偿电压U2。
图5是光子交换芯片中单个MZI的校准曲线图示例图。该MZI工作在最佳的初始状态施加的偏置电压值为U1＝3V，此时MZI直通臂与交叉臂的信号光与串扰的比为26dB。如图5所示，该MZI的串扰值变化1dB时，大概需要对偏置电压补偿1mV。由于目前使用的光子交换芯片一般为多级结构，每个交换路径要经过多个MZI，因此需要得到整个交换路径对应的校准曲线。
补偿电压生成模块4可以直接采用编程来实现，也可以采用硬件电路来实现。本实施例中提供一种基于硬件电路的补偿电压生成模块。图6是基于硬件电路的补偿电压生成模块的结构图。如图6所示，补偿电压生成模块4包括补偿电压计算模块41、M个分压电路42和运放阵列43，其中M表示光子交换芯片允许同时工作的交换路径的数量，运放阵列43包括N个运算放大器，每个运算放大器对应一个光开关单元，运算放大器的放大倍数与对应光开关单元的偏置电压成正比。本实施例中提供的运算放大器放大倍数的设置方法为：选择一个光开关单元，测试其属于不同交换路径时的所需的放大倍数，将各个放大倍数平均，得到该光开关单元所对应运算放大器的放大倍数，其他光开关单元按照偏置电压的比例进行设置，也就是说，记所测试光开关单元的偏置电压为V，放大倍数为λ，另一个光开关单元的偏置电压为V′，其放大倍数λ′＝λV′/V。
补偿电压计算模块41根据每个工作输出端口的串扰值计算其对应的整个交换路径的补偿电压U2，输出至其中一个分压电路42。分压电路42按照工作输出端口对应交换路径所经过的光开关单元的数量K进行平均，得到每个工作端口所对应交换路径上每个光开关单元的补偿分电压uk＝U2/K，k＝1,2,…,K。显然，K就是光子交换芯片的级数。分压电路42根据每个工作端口所对应交换路径的控制信号将其补偿分电压发送给对应的运算放大器。每个运算放大器分别按照预先设置的放大倍数对补偿电压进行放大，输出至模拟运算电路模块5中对应的模拟加法器。
●模拟运算电路模块
本发明中，模拟运算电路模块5是一个模拟加法器阵列，包括N个模拟加法器电路，分别对应每个光开关单元。第i个模拟加法器电路从芯片偏置电路模块2接收对应的第i个光开关单元的偏置电压，并从补偿电压生成模块4接收到第i个光开关单元的补偿分电压，叠加后输出至第i个光开关单元，其中i＝1,2,…,N，实现对光开关单元的驱动和稳定控制。显然，当某个光开关单元不存在补偿分电压时，所加载的即为出厂设置的偏置电压值。
根据以上说明可知，本发明通过光性能监测模块来得到端口的串扰值，借助于补偿电压算法，能够在不中断光子交换芯片业务的情况下实现所有光开关单元的稳定控制。本发明无需直接测量芯片温度，电路结构简单，易于实现，从而保证光子交换芯片的实时工作性能。
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)

1.一种光子交换芯片驱动装置，包括开关控制电路模块和芯片偏置电路模块，其中开关控制电路模块根据光子交换芯片中光子交换路径的配置信息，生成N个光开关单元的控制信号，芯片偏置电路模块生成N个光开关单元的偏置电压，其特征在于，还包括光性能监测模块、补偿电压生成模块和模拟运算电路模块；
芯片偏置电路模块将生成的偏置电压输出至模拟运算电路模块；
光性能监测模块监测光子交换芯片中最后一级光开关单元中工作输出端口的串扰值，将串扰值发送给补偿电压生成模块；
补偿电压生成模块从光性能监测模块得到各个工作输出端口对应的串扰值，计算工作输出端口对应的整个交换路径的补偿电压U2，按照交换路径上每个光开关单元偏置电压的大小按比例对补偿电压U2进行分压得到补偿分电压，将交换路径上每个光开关单元的补偿分电压输出至模拟运算电路模块对应的模拟加法器；所述补偿电压U2的计算方法为：
对于光子交换芯片中的每条可能交换路径分别进行实验，改变外界温度，利用光性能监测模块监测输出端的串扰值，然后手动调控偏置电压使输出性能达到最佳，并记下此时温度对应的串扰值以及调控后的偏置电压，取得多组数据后通过曲线拟合得到补偿电压随串扰值变化的校准曲线，存储在补偿电压计算模块中；然后在实际应用时，先查询得到当前交换路径对应的校准曲线，根据当前串扰值计算得到补偿电压U2；
模拟运算电路模块包括N个模拟加法器电路，分别对应每个光开关单元；第i个模拟加法器电路从芯片偏置电路模块接收对应的第i个光开关单元的偏置电压，并从补偿电压生成模块接收到第i个光开关单元的补偿分电压，叠加后输出至第i个光开关单元，i＝1,2,…,N。
2.根据权利要求1所述的光子交换芯片驱动装置，其特征在于，所述光性能监测模块包括监测控制模块，两个平衡光电探测器，串扰值计算模块和滤波器，两个平衡光电探测器分别连接所最后一级光开关单元中每个光开关单元的两个输出端口；
在控制时隙，监测控制模块根据光子交换芯片中光子交换路径的配置信息得到最后一级光开关单元中工作输出端口的序号，依次进行检测；对于当前的工作输出端口，如果其所在光开关单元的另一个输出端口为空闲，监测控制模块向两个平衡光电探测器发送控制信号，检测当前工作输出端口与所在光开关单元的另一输出端口的输出功率；如果工作的输出端口所在光开关单元的另一个输出端口也为工作端口，监测控制模块向开关控制电路模块发送切换信号，关闭另一个输出端口的输入，然后向两个平衡光电探测器发送控制信号，检测当前工作输出端口与所在光开关单元的另一输出端口的输出功率；
两个平衡光电探测器将所检测到的输出功率发送给串扰值计算模块，串扰值计算模块计算得到串扰值，输出至滤波器进行滤波，然后输出给补偿电压生成模块。
3.根据权利要求1所述的光子交换芯片驱动装置，其特征在于，所述补偿电压生成模块包括补偿电压计算模块、M个分压电路和运放阵列，其中M表示光子交换芯片允许同时工作的交换路径的数量，运放阵列包括N个运算放大器，每个运算放大器对应一个光开关单元，运算放大器放大倍数的设置方法为：选择一个光开关单元，测试其属于不同交换路径时的所需的放大倍数，将各个放大倍数平均，得到该光开关单元所对应运算放大器的放大倍数，其他光开关单元按照偏置电压的比例进行设置；
补偿电压计算模块根据每个工作输出端口的串扰值计算其对应的整个交换路径的补偿电压U2，输出至其中一个分压电路；分压电路对补偿电压U2进行平均得到每个工作端口所对应交换路径上每个光开关单元的补偿分电压uk＝U2/K，k＝1,2,…,K，K表示光子交换芯片的级数；分压电路根据每个工作端口所对应交换路径的控制信号将其补偿分电压发送给对应的运算放大器；每个运算放大器对补偿电压进行放大，输出至模拟运算电路模块中对应的模拟加法器。
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