CN107346064A - 一种电光开关的光学双稳态控制系统、控制方法及芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于SOI波导型电光开关的光学双稳态控制系统、控制方法及芯片，利用硅材料的双光子吸收效应来实现光学双稳态控制，实现体积更小、效率更高、功率更小并且易于工艺实现的光学双稳态器件。对于普通SOI波导型电光开关，在输出端利用硅的双光子吸收效应制成一个光电探测器，探测器的输出电流会随着输出光功率的变化而变化，将该探测器输出的电信号通过适当的控制电路送至光开关光功率的控制端，从而构成一个反馈电路，实现光开关的双稳态控制。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种利用双光子吸收效应实现硅基SOI波导型电光开关双稳态操作的控制系统、控制方法及芯片。
背景技术
光学双稳态是指在光学系统中一个输入光可以产生两个稳定的输出光，并且两种输出状态可以互相转换。也就是说，一种输入对应高、低不同的两种输出，并且两种输出状态可以通过光信号或外部电信号进行控制，和电子元件中的逻辑门类似。和电子学器件相比，光学双稳态器件有两个主要的优点，开关速度快，并且不受电磁干扰。因此，光学双稳态器件在光通信，光信号处理等领域有着广泛的应用，并且有可能成为光计算机中的一种基本元件。
光学双稳态系统是一种具有负反馈的非线性光学系统。双稳态系统必须同时满足两个条件：存在一个物理量能够对输出光强进行调制；输出光强能通过某种反馈方式来控制该物理量。按照反馈性质的不同，可以将光学双稳态器件分为全光光学双稳态器件和电光混合型光学双稳态器件。全光光学双稳态器件利用介质材料的非线性光学性质来控制器件的输出。例如，吸收系数或介质折射率在强光下发生变化。这类器件直接利用介质的非线性光学性质，反馈速度很快。但对介质的非线性要求很高，限制了材料的选择范围，而且对入射光的强度和频率都有严格的要求。电光混合型双稳器件依靠外部电路来实现反馈控制，反馈速度受外部电路限制。但对介质非线性和光源要求不高，而且灵活多变，其调制系统可以是电光调制器、热光调制器、磁光调制器、声光调制器或等离子色散调制器。本发明所涉及的双稳态光开关属于电光混合型光学双稳态器件的范畴。
一种电光混合型光学双稳态装置如图1所示[Nonlinear electro-optic Fabry-Perot devices using reflected-light feedback，optics letters，1978]。装置中使用了一个腔长为10cm的共焦球面F-P干涉仪，干涉仪中间放置LiTaO3电光晶体，作为调制器。该晶体的折射率与加在其上的电压有关。利用单频He-Ne激光入射，透过干涉仪的光被分光器反射，一部分到达光电探测器，转化为电信号后经放大反馈至电光晶体的调制电极上。在这种装置中，反馈电压控制腔内折射率的变化，而反馈电压又和腔内的光强成正比，因此腔内折射率的变化仍和腔内的光强成正比。但是由于外部电路的放大作用，腔内光强微弱的变化就可以导致介质折射率的变化，因此降低了对入射光强度的要求。另外，在这种调制方式中，不要求入射光和介质吸收的中心频率重合，因此放宽了对入射光波长的选择。该装置的动态响应时间不受介质的影响，取决于外部反馈控制线路的响应时间。
图1所示的电光混合型光学双稳态装置由分立器件组合而成，因此具有体积庞大，造价昂贵，调谐困难，工作稳定性差以及开关功率较大等缺点，这些缺点导致了这种装置在实际应用中并没有很大的吸引力。
发明内容
本发明提出了一种基于硅基SOI波导型电光开关稳态控制系统，利用硅材料的双光子吸收效应来实现光学双稳态控制，旨在实现体积更小、效率更高、功率更小并且易于工艺实现的光学双稳态器件。
系统包括：呈环形依次连接的SOI波导型电光开关、双光子吸收探测器、反馈电路、驱动电路；SOI波导型电光开关包括用于接收光信号的光输入端口，以及用于输出光信号的光输出端口；双光子吸收探测器用于连接SOI波导型电光开关的光输出端口，将部分光信号输出，另一部分光信号转化为电信号输出给反馈电路；反馈电路用于将电信号的变化反馈给驱动电路；驱动电路用于供给SOI波导型电光开关工作电流，并根据反馈电路的反馈调整工作电流，以使SOI波导型电光开关稳定工作在交叉或直通传输状态。
驱动电路首先将光开关偏置在交叉或直通传输状态，当SOI波导型电光开关输出端光信号的强度变化时，通过双光子吸收探测器获取情况并产生电信号，经由反馈电路反馈到驱动电路，调节驱动电流使所述传输状态的输出光功率稳定。
另外，SOI波导型电光开关为可以为1×2硅基SOI波导型电光开关，或由1×2光开关组合而成的1×N光开关网络(N为大于2的偶数)，或2×2硅基SOI波导型电光开关，或由2×2光开关组合而成的N×N(N为大于2的偶数)光开关网络。
另外，反馈电路可以为反馈放大电路。
另外，本发明还提出了一种集成了上述光学双稳态控制系统的芯片。
另外，本发明还提出了一种硅基SOI波导型电光开关的稳态控制方法，包括：将SOI波导型电光开关、双光子吸收探测器、反馈电路、驱动电路呈环形依次连接，在SOI波导型光开关的输出端连接双光子吸收探测器，利用硅的双光子吸收效应产生输出电流，所述输出电流会随着输出光功率的变化而变化，将该探测器输出的电信号通过由反馈电路和驱动电路组成的控制电路送至SOI波导型电光开关的控制端，从而构成一个环路，实现光开关的双稳态控制。
本发明提出的双稳态控制系统造价低，功耗小，速度快，集成度高，因此可以作为未来光通信系统的基本控制单元，组合成各种功能的拓扑结构。
附图说明
附图，其被包括以提供本发明的进一步理解而且被并入并构成本说明书的一部分，所述附图示出本发明的实施例并且连同说明书用来解释本发明的原理，在附图中：
图1为现有技术中的的电光混合型光学双稳态装置原理图；
图2为本发明实施例的1×2波导型电光开关原理图；
图3为本发明实施例的硅基SOI波导型电光开关的双稳态控制方法；
图4为本发明实施例的波导型电光开关的双稳态输出；
图5为本发明实施例的1×2波导型电光开关的双稳态控制方法；
图6为本发明实施例的1×2波导型电光开关的双稳态输出；
图7为本发明实施例的2×2波导型电光开关的双稳态控制方法。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的总体思想在于，对于普通SOI波导型电光开关，在输出端利用硅的双光子吸收效应制成一个光电探测器，探测器的输出电流会随着输出光功率的变化而变化，将该探测器输出的电信号通过适当的控制电路送至光开关光功率的控制端，从而构成一个反馈电路，实现光开关的双稳态控制。
SOI波导型电光开关，利用SOI材料高的折射率差形成波导结构，利用波导两侧的P型和N型掺杂区形成光开关的折射率调制结构。以加电的方式改变波导中的载流子浓度，从而改变波导的折射率，实现相位调制，最终实现输出端光信号强度的改变。一个1×2光开关的原理图如图2所示，其中，1为分支波导结构，2为光开关的调制器，3为调制器上侧波导，5为调制器下侧波导，4为多模干涉仪(MMI)结构。从输入直波导进入的入射光被分支结构平分成两支分别进入相位调制器的上测波导和下侧波导。对其中一侧波导加驱动信号，会导致波导中注入载流子浓度增加，波导材料的折射率会随着注入载流子浓度的变化而变化，会导致这一侧波导中光信号的相位发生变化，两侧波导中的光信号会产生相位差。在相位调制器后面的MMI干涉仪会将这种相位变化转换成输出光斑的不同位置，从而实现A_out和B_out输出光强度的变化。
根据光的干涉原理，在理想情况下(不考虑实际加工工艺导致的波导尺寸偏差以及耦合对准偏差)，不加电时，两侧波导的相位一致，这样A_out和B_out输出光强度相等。如果上侧波导比下侧波导相位超前π/2，A_out输出光最弱，B_out输出光强度最大。如果上侧波导比下侧波导相位落后π/2，B_out输出光最弱，A_out输出光强度最大。这种光开关的特点是，A_out和B_out输出光强度随着驱动电流的变化而变化，并不是稳态操作。因此需要外加一个反馈机制，通过检测输出端光信号的强度变化调节相位调制器的驱动信号，使输出端的光强度稳定。
检测光开关输出端光信号的强度并将其转化为电信号需要一个硅基光电探测器。在线性光学的情况下，认为原子每次跃迁只能吸收一个光子，对于能量小于其能级间隔的光子不吸收。硅的带隙为1.12eV，因此硅对光通讯常用波段1310nm(光子能量1.04eV)和1550nm(光子能量0.95eV)的光子，基本不吸收。然而当入射光功率达到一定强度时，会产生一种新的吸收过程-双光子吸收。即两个光子同时被一个原子吸收，完成导带到价带的跃迁。通常，双光子吸收的跃迁几率比单光子吸收的跃迁几率小的多，但是当光强达到一定程度时，双光子吸收就可以达到和单光子吸收跃迁相同的跃迁几率。测量发现，硅的双光子吸收的跃迁几率和入射光强度呈二次幂关系。双光子吸收会导致硅材料中的自由载流子浓度发生变化，从而影响硅的导电特性。因而可以利用硅材料的这个特性在光开关的输出端制作一个双光子吸收探测器，将输出端的部分光信号转化为电信号。
本发明提出的波导型电光开关的双稳态控制系统及方法如图3所示。首先通过驱动电路将光开关偏置在某一工作状态，当SOI波导型电光开关输出端光信号的强度变化时，通过双光子吸收探测器获取情况并产生电信号，经由反馈电路反馈到驱动电路，调节驱动电流使所述传输状态的输出光功率稳定。理想情况下，波导型电光开关的双稳态输出特性曲线如图4所示，其中，Ith为输出状态切换时对应的输入电流大小。因此，本发明所述的稳态控制方法，可通过驱动电流的变化，使一个光输入对应高低不同的两个稳定的输出光强，并可以实现两个驱动信号之间的切换。
由于双光子吸收效应很弱，不会对实际输出的光功率产生明显的消耗，因此不需要在光信号的输出端外接分光器。但是，由于双光子吸收探测器只能提供微弱的电信号，因此对反馈电路的灵敏度及放大倍数有很高的要求。另外，本发明提出的光学双稳态控制系统的加工完全和成熟的集成电路工艺兼容，可以将硅基SOI波导型电光开关，双光子吸收探测器，驱动电路以及反馈电路集成在同一颗芯片上。这样不仅会大大减小装置的体积，也会大大降低器件的生产成本，因此，在未来的全光通信领域将会有很大的应用潜力。
实施例1：1×2硅基SOI波导型电光开关的双稳态控制方法
一个1×2硅基SOI波导型电光开关的双稳态控制方法如图5所示，其中1为图2所示的1×2波导型电光开关，2为双光子吸收探测器。由于在任一驱动电流作用下，光开关两个输出端口的输出光强度相互关联，因此双光子吸收探测器可以加在任意一个光输出口，在本实施例中，加在A_out光输出口。
理想情况下，1×2波导型电光开关的稳态曲线如图6所示，其中Ith为输出状态切换时对应的输入电流大小。假设将双光子吸收探测器加在A_out端，那么在A_out输出端会引入额外的吸收损耗，所以A_out输出的最大/最小光强度会略低于B_out。反之，B_out输出的最大/最小光强度会略低于A_out
以上述1×2波导型电光开关为最基本控制单元，可以组合成1×4，1×8，1×N等各种拓扑的光开关网络。
实施例2：2×2硅基SOI波导型电光开关的双稳态控制方法
和1×2光开关的双稳态控制方法类似，2×2硅基SOI波导型电光开关的双稳态控制方法如图7所示，其中1为图2所示的2×2波导型电光开关，2为双光子吸收探测器。双光子吸收探测器可以加在A_out输出口或B_out输出口。以2×2波导型电光开关为最基本控制单元，可以组合成4×4，8×8，N×N等各种拓扑的光开关网络。
本发明所述的双稳态控制系统中所有的核心光电器件(波导型电光开关和双光子吸收探测器)和控制电路都可以采用成熟的集成电路工艺制作在同一颗芯片上。因此可以大大降低材料成本和生产加工成本。另外，和需要使用分立器件组合的电光混合型光学双稳态装置相比，本发明所述的双稳态控制系统只有一颗芯片大小(mm级)，因此体积和开关功耗都会大幅减小。
本发明所述的双稳态控制系统造价低，功耗小，速度快，集成度高，因此可以作为未来光通信系统的基本控制单元，组合成各种功能的拓扑结构。
尽管已经示出并描述了本发明实施例的特殊实施例，然而在不背离本发明实施例的示例性实施例及其更宽广方面的前提下，本领域技术人员显然可以基于此处的教学做出变化和修改。因此，所附的权利要求意在将所有这类不背离本发明实施例的示例性实施例的真实精神和范围的变化和更改包含在其范围之内。
Claims (15)
1.一种基于SOI波导型电光开关的光学双稳态控制系统，所述系统包括：
呈环形依次连接的SOI波导型电光开关、双光子吸收探测器、反馈电路、驱动电路；
所述SOI波导型电光开关包括用于接收光信号的光输入端口，以及用于输出光信号的光输出端口；
所述双光子吸收探测器用于连接SOI波导型电光开关的光输出端口，将部分光信号输出，另一部分光信号转化为电信号输出给反馈电路；
所述反馈电路用于将电信号的变化反馈给驱动电路；
所述驱动电路用于供给SOI波导型电光开关工作电流，并根据反馈电路的反馈调整工作电流，以使SOI波导型电光开关稳定工作在交叉或直通传输状态。
2.如权利要求1所述的基于SOI波导型电光开关的光学双稳态控制系统，其特征在于：所述驱动电路首先将光开关偏置在交叉或直通传输状态，当SOI波导型电光开关输出端光信号的强度变化时，通过双光子吸收探测器获取情况并产生电信号，经由反馈电路反馈到驱动电路，调节驱动电流使所述传输状态的输出光功率稳定。
3.如权利要求1所述的基于SOI波导型电光开关的光学双稳态控制系统，其特征在于：所述SOI波导型电光开关为1×2硅基SOI波导型电光开关。
4.如权利要求3所述的基于SOI波导型电光开关的光学双稳态控制系统，其特征在于：所述SOI波导型电光开关为由1×2光开关组合而成的1×N光开关网络(N为大于2的偶数)。
5.如权利要求1所述的基于SOI波导型电光开关的光学双稳态控制系统，其特征在于：所述SOI波导型电光开关为2×2硅基SOI波导型电光开关。
6.如权利要求5所述的基于SOI波导型电光开关的光学双稳态控制系统，其特征在于：所述SOI波导型电光开关为由2×2光开关组合而成的N×N光开关网络(N为大于2的偶数)。
7.如权利要求1所述的基于SOI波导型电光开关的光学双稳态控制系统，其特征在于：所述反馈电路为反馈放大电路。
8.一种集成了权利要求1-7所述光学双稳态控制系统的芯片。
9.一种硅基SOI波导型电光开关的稳态控制方法，所述方法包括：将SOI波导型电光开关、双光子吸收探测器、反馈电路、驱动电路呈环形依次连接，在SOI波导型光开关的输出端连接双光子吸收探测器，利用硅的双光子吸收效应产生输出电流，所述输出电流会随着输出光功率的变化而变化，将该探测器输出的电信号通过由反馈电路和驱动电路组成的控制电路送至SOI波导型电光开关的控制端，从而构成一个环路，实现光开关的双稳态控制。
10.如权利要求9所述的硅基SOI波导型电光开关的稳态控制方法，其特征在于，所述驱动电路首先将光开关偏置在交叉或直通传输状态，当SOI波导型电光开关输出端光信号的强度变化时，通过双光子吸收探测器获取情况并产生电信号，经由反馈电路反馈到驱动电路，调节驱动电流使所述传输状态的输出光功率稳定。
11.如权利要求9所述的硅基SOI波导型电光开关的稳态控制方法，其特征在于：所述SOI波导型电光开关为1×2硅基SOI波导型电光开关。
12.如权利要求11所述的硅基SOI波导型电光开关的稳态控制方法，其特征在于：所述SOI波导型电光开关为由1×2光开关组合而成的1×N光开关网络(N为大于2的偶数)。
13.如权利要求9所述的硅基SOI波导型电光开关的稳态控制方法，其特征在于：所述SOI波导型电光开关为2×2硅基SOI波导型电光开关(N为大于2的偶数)。
14.如权利要求13所述的硅基SOI波导型电光开关的稳态控制方法，其特征在于：所述SOI波导型电光开关为由2×2光开关组合而成的N×N光开关网络。
15.如权利要求9所述的硅基SOI波导型电光开关的稳态控制方法，其特征在于：所述反馈电路为反馈放大电路。
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