CN106257636B - 一种硅基调制器偏置点控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种硅基调制器偏置点控制装置,包括第一相位控制器，根据接入的电压来控制向所述第一微环结构施加的温度；第二相位控制器，根据接入的电压来控制向所述第二微环结构施加的温度；第一耦合器，第二耦合器，第三耦合器，将接收到的光耦合输出给光电探测器；所述光电探测器，用于检测接收到的光的光平均功率；采集模块，采集所述光电探测器所检测的光平均功率，输出给处理模块；所述处理模块，记录所述光平均功率，将上次记录的光平均功率与本次记录的光平均功率进行比较，根据比较结果控制接入所述第一相位控制器或所述第二相位控制器的电压。本发明能够节省硅基芯片的面积，实现平衡检测，结构简单。
Description
技术领域
本发明涉及硅光子集成领域，尤其涉及一种硅基相位调制器偏置点控制装置。
背景技术
硅基光电子的应用有广大的前景，对其研究也越来越多，受限于调制速率及消光比等影响，调制器一直是技术难点。光路选择型调制器(waveguide selecting modulator，简称WSM)的出现极大的推进了调制器的性能，有望在产品中被普遍使用。
WSM中的关键器件Optic switch(光路选择器)一般采用微环结构来实现。微环本身有许多缺点，如热敏感，不同波长响应不同等。如果不对微环的状态进行实时的控制是不能实现相位调制的。
采用平衡检测上下微环through(上行)端平均光功率，利用检测功率最小且不为0的特点进行反馈控制是可以实现偏置点的实时控制的。但是，在寸土寸金的硅基芯片上采用两个PD(光电探测器)检测，无疑会增大使用面积，并且PD的成本和功耗也很高，同时在电路上设计平衡检测也会有很大的困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种硅基相位调制器偏置点控制装置，以节省硅基芯片的面积。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种硅基调制器偏置点控制装置，适用于一种硅基调制器，所述硅基调制器包括：光路选择器、第一组波导、第二组波导和光耦合器，其中，所述光路选择器，用于接收输入光，在电信号的控制下，控制光输入到第一组波导或者输入到第二组波导；所述第一组波导和所述第二组波导，一端与所述光路选择器连接，另一端连接所述光耦合器，所述第一组波导或所述第二组波导将光输出给所述光耦合器，由所述光耦合器耦合输出，所述第一组波导和所述第二组波导的光程不相等，且其光程差与待获得的相位差相应；所述第一组波导包括两条长度相等且输出光场相位相同的第一波导和第四波导，所述第一波导和所述第四波导组成MZ结构，所述第二组波导包括两条长度相等且输出光场相位相同的第二波导和第三波导，所述第二波导和所述第三波导组成MZ结构，所述第一组波导和所述第二组波导的长度不相等，且长度差与所述光程差对应，所述第一组波导与所述第二组波导输出光场相位相反，所述光路选择器包括第一微环结构和第二微环结构，所述第一微环结构的上行端与所述第一波导连接，所述第一微环结构的下行端与所述第二波导连接，所述第二微环结构的上行端与所述第三波导连接，所述第二微环结构的下行端与所述第四波导连接，所述硅基调制器偏置点控制装置包括：
第一相位控制器，根据接入的电压来控制向所述第一微环结构施加的温度；
第二相位控制器，根据接入的电压来控制向所述第二微环结构施加的温度；
第一耦合器，接入所述第一波导，从所述第一波导中分出一部分光输入第三耦合器；
第二耦合器，接入所述第三波导，从所述第三波导中分出一部分光输入所述第三耦合器；
所述第三耦合器，将接收到的光耦合输出给光电探测器；
所述光电探测器，用于检测接收到的光的光平均功率；
采集模块，采集所述光电探测器所检测的光平均功率，输出给处理模块；
所述处理模块，记录所述光平均功率，将上次记录的光平均功率与本次记录的光平均功率进行比较，根据比较结果控制接入所述第一相位控制器或所述第二相位控制器的电压。
进一步地，上述硅基调制器偏置点控制装置还具有下面特点：
所述处理模块，根据比较结果控制接入所述第一相位控制器或所述第二相位控制器的电压包括：在所述第一相位控制器和所述第二相位控制器初始化为最小值时，控制接入所述第一相位控制器的电压直到接收到的光平均功率稳定，然后控制接入所述第二相位控制器的电压直到接收到的光平均功率稳定，记录此时的光平均功率为第一光平均功率；在所述第二相位控制器初始化为最大值时，控制接入所述第二相位控制器的电压直到接收到的光平均功率稳定，记录此时的光平均功率为第二光平均功率，比较所述第一光平均功率和所述第二光平均功率，利用值较小的光平均功率对应的电压值来初始化所述第一相位控制器和所述第二相位控制器，控制接入所述第一相位控制器的电压直到接收到的光平均功率稳定，控制接入所述第二相位控制器的电压直到接收到的光平均功率稳定。
进一步地，上述硅基调制器偏置点控制装置还具有下面特点：
所述处理模块，根据比较结果控制接入所述第一相位控制器或所述第二相位控制器的电压，是通过数模转换器接入所述第一相位控制器或所述第二相位控制器的。
进一步地，上述硅基调制器偏置点控制装置还具有下面特点：
所述采集模块，为模数转换器。
进一步地，上述硅基调制器偏置点控制装置还具有下面特点：
所述第一相位控制器为热相移器；
所述第二相位控制器为热相移器。
本发明提供一种硅基调制器偏置点控制装置,能够节省硅基芯片的面积，实现平衡检测，结构简单。
附图说明
图1为本发明实施例涉及的硅基调制器的示意图；
图2为本发明实施例的硅基调制器偏置点控制装置的示意图；
图3为本发明实施例涉及的硅基调制器的偏置点与输出光功率的关系图；
图4为本发明实施例的控制偏置点方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本发明实施例涉及的硅基调制器包括：光路选择器、第一组波导、第二组波导和光耦合器，其中，
所述光路选择器，用于接收输入光，在电信号的控制下，控制光输入到第一组波导或者输入到第二组波导；
所述第一组波导和所述第二组波导，一端与所述光路选择器连接，另一端连接所述光耦合器，所述第一组波导或所述第二组波导将光输出给所述光耦合器，由所述光耦合器耦合输出，所述第一组波导和所述第二组波导的光程不相等，且其光程差与待获得的相位差相应；其中，
所述第一组波导包括两条长度相等且输出光场相位相同的第一波导和第四波导，所述第一波导和所述第四波导组成MZ结构，
所述第二组波导包括两条长度相等且输出光场相位相同的第二波导和第三波导，所述第二波导和所述第三波导组成MZ结构，
所述第一组波导和所述第二组波导的长度不相等，且长度差与所述光程差对应，所述第一组波导与所述第二组波导输出光场相位相反。
所述光路选择器包括第一微环结构和第二微环结构，所述第一微环结构的上行端与所述第一波导连接，所述第一微环结构的下行端与所述第二波导连接，所述第二微环结构的上行端与所述第三波导连接，所述第二微环结构的下行端与所述第四波导连接。
如图1所示，本发明实施例涉及的硅基调制器的输入光经过耦合器把光分为两路，分别进入微环102和微环103，上臂的光进入微环102的through(上行)端，微环102的through端与波导106相连，下臂的光进入微环103的through端，微环103的through端与波导108相连，微环102的drop(下行)端与波导105相连，微环103的drop端与波导107相连。波导105、106、107和108经过4*1的耦合器耦合输出。
通过设计，波导105和波导108等长，输出相位同相。波导106和波导107等长，输出相位同相，Select1和Select2的长度差决定了相位差，对于使用此调制器用作QPSK(Quadrature Phase Shift Keying，正交相移键控)信号调制，需要使得其相位差为π，那么长度差
其中，λ为传播的光波长，n为波导的有效折射率。在硅基波导中，strip(矩形)型波导的有效折射率n＝2.443，λ＝1550nm，则△L＝317.2nm可以延时相位π。
基于WSM的设计理念，调制相位信息时，差分电信号S+，S-分别作用于微环上，调节微环状态从而选择光传播路径，实现相位信息的调制。假设S+、S-的电压幅度为2V，那么：上下微环调制分别2V和-2V时，微环102调制0V电压时，其处于共振条件，光经过微环的drop(下行)端及波导106，微环103调制-4V，微环103的共振条件被破坏，光经过微环的through端及波导108，调制相位为π；上下微环调制分别-2V和2V时，微环102调制-4V电压，其共振条件被破坏，光经过微环的through端及波导105，微环103调制0V，微环103处于共振条件，光经过微环的drop端及波导107，调制相位为0。
由此可见，控制偏置点要达到上下微环在不同的电信号下处于共振条件,即，上微环共振时，下微环非共振；上微环非共振时，下微环共振。
根据微环的性质可知，在电信号的作用下，微环在共振和非共振状态下变化，信号1和0出现的概率大体一致，through端输出平均光功率最小，drop端输出平均光功率最大。由于上下微环共振状态相反。上微环through端打开时，下微环through端关闭，利用光功率最小可以反馈得到每个微环的偏置。如果上下微环共振状态一致，那么也会使得光功率增大。所以，搜索两个through端输出总功率的最小值是可以得到正确偏置的。
图2为本发明实施例的硅基调制器偏置点控制装置的示意图，本实施例的硅基调制器偏置点控制装置包括：
第一相位控制器，根据接入的电压来控制向所述第一微环结构施加的温度；
第二相位控制器，根据接入的电压来控制向所述第二微环结构施加的温度；
第一耦合器，接入所述第一波导，从所述第一波导中分出一部分光输入第三耦合器；
第二耦合器，接入所述第三波导，从所述第三波导中分出一部分光输入所述第三耦合器；
所述第三耦合器，将接收到的光耦合输出给光电探测器；
所述光电探测器，用于检测接收到的光的光平均功率；
采集模块，采集所述光电探测器所检测的光平均功率，输出给处理模块；
所述处理模块，记录所述光平均功率，将上次记录的光平均功率与本次记录的光平均功率进行比较，根据比较结果控制接入所述第一相位控制器或所述第二相位控制器的电压。
其中，所述处理模块，根据比较结果控制接入所述第一相位控制器或所述第二相位控制器的电压包括：在所述第一相位控制器和所述第二相位控制器初始化为最小值时，控制接入所述第一相位控制器的电压直到接收到的光平均功率稳定，然后控制接入所述第二相位控制器的电压直到接收到的光平均功率稳定，记录此时的光平均功率为第一光平均功率；在所述第二相位控制器初始化为最大值时，控制接入所述第二相位控制器的电压直到接收到的光平均功率稳定，记录此时的光平均功率为第二光平均功率，比较所述第一光平均功率和所述第二光平均功率，利用值较小的光平均功率对应的电压值来初始化所述第一相位控制器和所述第二相位控制器，控制接入所述第一相位控制器的电压直到接收到的光平均功率稳定，控制接入所述第二相位控制器的电压直到接收到的光平均功率稳定。
如图2所示，在硅基调制器的设计基础上，在上下微环的through端加入例如5/95的coupler(耦合器)109和110，5％的分光分别用coupler111耦合后，由PD101检测。PD的数据由ADC(模数转换器)采集，ADC采集的数据送入MCU(Micro Control Unit，微控制单元)/DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)处理，经过算法处理后，把偏置点的变化信息由DAC(数模转换器)经过Heater(热相移器)1和Heater2调节上下微环的偏置点。
heater被电压大小控制，输出不同的温度，温度影响微环的折射率进而影响微环的状态。
MCU/DSP处理器将采集到的数据经过所述算法处理后，判断所要输出的电压信号，按数字信号输出给DAC，让DAC输出特定电压来控制heater的发热量。
此处coupler代替其他方案中的PD，可以节省很大的空间，同时降低成本和功耗。
图3中，横坐标为上下微环总的偏置点，竖坐标为coupler111耦合输出检测到的总平均功率。
Heater1和heater2每个偏置点的变化都会影响输出功率。总体效果如图3示意。其中，A点是上下微环的共振状态相反时的偏置点。B点是上下微环共振状态相同时的偏置点。利用检测总功率最小值可以得到最佳偏置点。但是，需要注意的是，要避免算法陷入B的稳态。
本发明实施例的控制偏置点的流程如图4所示：要达到上下微环偏置状态不同，需要每个微环的偏置范围大于1个周期，包括以下步骤：
步骤101、开始，对heater1和heater1初始化为最小值。
步骤102、按一定步长(例如，微环温度变化1度所需的电压值)向一方向变化(增大/减小)heater1，ADC检测的平均光功率与之前的平均光功率比较。平均光功率减小，继续向相同方向变化heater1；平均光功率增大，向相反方向变化heater1，直至光平均功率稳定。
处理器输出数字信号给DAC，此数字信号是电压的二进制表示，DAC将二进制数字转为电压输出给heater，heater受到不同电压的驱动，产生的温度也会有变化，温度会影响微环的状态。
步骤103、按一定步长向一方向变化(增大/减小)heater2，ADC检测的平均光功率与之前的平均光功率比较。平均光功率减小，继续向相同方向变化heater2.平均光功率增大，向相反方向变化heater2，直至光平均功率稳定，然后转向步骤104；当初始化heater2最大值后，调节到光平均功率稳定时，转向步骤105。
步骤104、记录此时平均光功率为P(1)，然后初始化heater2最大值；转向步骤103。
步骤105、记录此时平均光功率为P(2)；比较P(1)和P(2)，将Heater1和Heater2的值初始化为较小的P。
步骤106、然后重复步骤102和步骤103。
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
以上仅为本发明的优选实施例，当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种硅基调制器偏置点控制装置，适用于一种硅基调制器，所述硅基调制器包括：光路选择器、第一组波导、第二组波导和光耦合器，其中，所述光路选择器，用于接收输入光，在电信号的控制下，控制光输入到第一组波导或者输入到第二组波导；所述第一组波导和所述第二组波导，一端与所述光路选择器连接，另一端连接所述光耦合器，所述第一组波导或所述第二组波导将光输出给所述光耦合器，由所述光耦合器耦合输出，所述第一组波导和所述第二组波导的光程不相等，且其光程差与待获得的相位差相应；所述第一组波导包括两条长度相等且输出光场相位相同的第一波导和第四波导，所述第一波导和所述第四波导组成MZ结构，所述第二组波导包括两条长度相等且输出光场相位相同的第二波导和第三波导，所述第二波导和所述第三波导组成MZ结构，所述第一组波导和所述第二组波导的长度不相等，且长度差与所述光程差对应，所述第一组波导与所述第二组波导输出光场相位相反，所述光路选择器包括第一微环结构和第二微环结构，所述第一微环结构的上行端与所述第一波导连接，所述第一微环结构的下行端与所述第二波导连接，所述第二微环结构的上行端与所述第三波导连接，所述第二微环结构的下行端与所述第四波导连接，所述硅基调制器偏置点控制装置包括：
第一相位控制器，根据接入的电压来控制向所述第一微环结构施加的温度；
第二相位控制器，根据接入的电压来控制向所述第二微环结构施加的温度；
第一耦合器，接入所述第一波导，从所述第一波导中分出一部分光输入第三耦合器；
第二耦合器，接入所述第三波导，从所述第三波导中分出一部分光输入所述第三耦合器；
所述第三耦合器，将接收到的光耦合输出给光电探测器；
所述光电探测器，用于检测接收到的光的光平均功率；
采集模块，采集所述光电探测器所检测的光平均功率，输出给处理模块；
所述处理模块，记录所述光平均功率，将上次记录的光平均功率与本次记录的光平均功率进行比较，根据比较结果控制接入所述第一相位控制器或所述第二相位控制器的电压。
2.如权利要求1所述的硅基调制器偏置点控制装置，其特征在于，
所述处理模块，根据比较结果控制接入所述第一相位控制器或所述第二相位控制器的电压包括：在所述第一相位控制器和所述第二相位控制器初始化为最小值时，控制接入所述第一相位控制器的电压直到接收到的光平均功率稳定，然后控制接入所述第二相位控制器的电压直到接收到的光平均功率稳定，记录此时的光平均功率为第一光平均功率；在所述第二相位控制器初始化为最大值时，控制接入所述第二相位控制器的电压直到接收到的光平均功率稳定，记录此时的光平均功率为第二光平均功率，比较所述第一光平均功率和所述第二光平均功率，利用值较小的光平均功率对应的电压值来初始化所述第一相位控制器和所述第二相位控制器，控制接入所述第一相位控制器的电压直到接收到的光平均功率稳定，控制接入所述第二相位控制器的电压直到接收到的光平均功率稳定。
3.如权利要求1所述的硅基调制器偏置点控制装置，其特征在于，
所述处理模块，根据比较结果控制接入所述第一相位控制器或所述第二相位控制器的电压，是通过数模转换器接入所述第一相位控制器或所述第二相位控制器的。
4.如权利要求1所述的硅基调制器偏置点控制装置，其特征在于，
所述采集模块，为模数转换器。
5.如权利要求1-4任一项所述的硅基调制器偏置点控制装置，其特征在于，
所述第一相位控制器为热相移器；
所述第二相位控制器为热相移器。
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