CN110488414A - 基于微环辅助马赫-增德尔光开关的自动校准装置及方法 - Google Patents

基于微环辅助马赫-增德尔光开关的自动校准装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110488414A
CN110488414A CN201910720041.0A CN201910720041A CN110488414A CN 110488414 A CN110488414 A CN 110488414A CN 201910720041 A CN201910720041 A CN 201910720041A CN 110488414 A CN110488414 A CN 110488414A
Authority
CN
China
Prior art keywords
micro
module
photoswitch
transmission spectrum
tuning
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910720041.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110488414B (zh
Inventor
陆梁军
高伟
周林杰
陈建平
刘娇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Jiaotong University
Original Assignee
Shanghai Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Jiaotong University filed Critical Shanghai Jiaotong University
Priority to CN201910720041.0A priority Critical patent/CN110488414B/zh
Publication of CN110488414A publication Critical patent/CN110488414A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110488414B publication Critical patent/CN110488414B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/125—Bends, branchings or intersections
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/35—Optical coupling means having switching means
    • G02B6/354—Switching arrangements, i.e. number of input/output ports and interconnection types
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/21—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12133—Functions
    • G02B2006/12159—Interferometer
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/21—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference
    • G02F1/212—Mach-Zehnder type

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

一种微环型光开关的自动校准装置和校准方法，包括：读取初始状态的微环辅助马赫‑增德尔干涉光开关传输谱；对所述初始传输谱进行预处理；利用已训练的参数计算模型对所述预处理传输谱进行处理以获取光开关的状态参数；根据所述状态参数将光开关自动校准到交叉和直通状态。本发明利用已训练的神经网络模型来实时获取微环辅助马赫‑增德尔干涉光开关的工作状态，并联合自动控制装置实现其工作状态的自动校准。将机器学习算法与光开关工作状态校准有效结合起来，可以大幅提高光开关单元和阵列的校准效率。

Description

基于微环辅助马赫-增德尔光开关的自动校准装置及方法
技术领域
本发明涉及集成光电子学领域，具体涉及一种基于机器学习的微环辅助马赫-增德尔干涉光开关的自动校准方法和自动校准装置。
背景技术
随着网络传输数据流量的不断增长，各种大数据应用，例如：云计算和高清视频，数据传输量不断激增，未来数据中心的规模必将不断扩大。采用光-电-光的传统信号交换方式因其能耗高和体积庞大等缺点，必将成为数据交换节点的瓶颈。采用全光交换的光互联技术可直接在光域完成光信道间信息的交换，具有高速、宽带、透明、低功耗以及潜在的低成本等诸多优点，一直被看作是克服传统的电子交换技术瓶颈的方法。为了解决数据中心发展受限于数据传输带宽和功耗的问题，需将目前电开关所承载的流量大部分转移到光路交换中。用于数据中心内部网络的光交换机必须具有大端口数以及快速交换能力，从而将尽可能多的流量从电开关卸载到光开关，以不断减少数据交换成本。
高速光开关芯片和模块是光交换系统中的核心部件，等效于电子系统中的中央处理器。其必须满足未来数据传输所要求的高速、大容量、低功耗和低延时交换的需求。传统的利用分立光开关器件来实现光交换的方式不可避免存在插入损耗大、体积庞大、功耗较大以及可靠性低等诸多问题。因此，需要采用集成光开关芯片来承担光交换系统中的光路数据交换。
微环辅助马赫-曾德尔干涉集成光开关阵列芯片是一种具有代表性的高速集成光开关芯片，其具有功耗低、尺寸小、消光比大等优势。2×2微环辅助马赫-曾德尔干涉光开关具有两个开关状态，分别为交叉状态和直通状态。现已经报道实现了4×4及16×16光开关芯片(Photon.Technol.Lett.,V0l.27,No.23,2015，J.Lightwave Technol.,Vol.36,No.2,2018)。但是由于工艺误差，开关的初始状态是随机的。传统利用人工手动调节或者片上光功率监控反馈调节实现微环辅助马赫-增德尔干涉光开关的工作状态校准具有操作复杂和耗费时间长等缺点。近年来，随着以监督学习、强化学习以及非监督学习为代表的机器学习方法被广泛引入到模式识别领域，简化了大量复杂的模式识别问题，例如美国麻省理工学院的研究组2019年在Science Advances(Vol.4,No.6,2018)上发表了一种基于监督学习方法的多层微粒子散射谱的预测与反向设计方法，他们建立了一个误差反馈神经网络，对不同层结构的微粒子及其对应散射谱数据进行训练，从而实现了对给定结构微粒子散射谱的预测以及给定散射谱对微粒子结构的反向设计。美国威斯康辛大学研究组2019年在ACSPhotonics(Vol.5,No.4,2018)上发表了一种基于监督学习方法的多层Si-SiN薄膜透射谱的识别与反向设计，同样建立了一个误差反馈神经网络，对不同薄膜结构及其对应透射谱进行训练，从而实现了对给定结构多层薄膜透射谱的预测以及利用定透射谱反向设计多层薄膜结构。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术不足，结合机器学习方法的优势，提出一种调谐稳定、操作简便、耗时较少且扩展性好的微环辅助马赫-曾德尔干涉光开关工作状态自动校准装置及方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一方面，本发明提出一种基于微环辅助马赫-增德尔干涉光开关的自动校准装置，其特点在于，包括：传输谱采集模块、数据处理模块、自动控制模块和可编程电压源，所述的传输谱采集模块包括可调激光器、光功率计和数据采集器，所述的可调激光器的输出端接所述的马赫-曾德尔干涉仪的输入端口，所述的光功率计和数据采集器的输入端接所述的马赫-曾德尔干涉仪的交叉端口和直通端口，所述的光功率计和数据采集器的输出端与所述的数据处理模块的输入端相连，所述的数据处理模块的输出端与所述的自动控制模块的输入端相连，所述的自动控制模块的控制端分别与所述的可编程电压源、可调激光器、数据处理模块以及光功率计和数据采集器的控制端相连，所述的可编程电压源的输出端与所述的微环辅助马赫-增德尔干涉光开关相连。
所述的数据处理模块包括传输谱预处理模块、驱动电压计算模块、神经网络识别模块(3203)和控制判断模块；
传输谱预处理模块：用于对采集到的传输谱进行预处理，使之符合使用神经网络的识别要求；
驱动电压计算模块：用于根据微环谐振波长变化量计算加热器驱动电压；
神经网络识别模块：保存已经训练好的神经网络参数，用于对所述预处理后的传输谱进行识别，输出当前工作状态下光开关的状态参数。
控制判断模块：用于判断光开关识别校准的状态，与不同模块进行通信并对其控制。
所述的自动校准装置包括环境接口、控制平台、电压源驱动和控制驱动，所述的环境接口用于与Python或者MATLAB编程环境的数据交互；控制平台用于对诸如可编程电压源、可调激光器、光功率计和数据采集器等外设的整体调度；所述的电压源驱动和控制驱动用于对诸如可编程电压源、可调激光器、光功率计和数据采集器等外设的数据通信。
所述的可调激光器输出指定波长范围内的连续激光。
所述的可编程电压源为多路可编程电压源。
所述的传输谱预处理模块、驱动电压计算模块、神经网络识别模块和控制判断模块(3204)所需装置：由一台计算机构成，利用基于Python语言或者MATLAB语言的自动处理模块实现相应模块功能，利用Labview联合软件计算并进行硬件控制。
另一方面，本发明还提供一种基于机器学习的微环辅助马赫-增德尔干涉光开关自动校准方法，该方法包括下列步骤：
在执行校准工作之前，需要对用于识别光开关工作状态的神经网络进行训练，其输入为光开关传输谱的离散点，输出为描述光开关工作状态的参数，即微环损耗因子a、微环与MZI调制臂耦合因子t、当前工作状态两个微环的谐振波长差dλ以及MZI两调制臂相位差在所述神经网络训练完毕之后，接下来描述算法步骤。
步骤1)光开关状态预校准：
使用传输谱采集模块获取无源状态下，光开关交叉端口的传输谱；
通过传输谱预处理模块对所述的传输谱进行波谷位置判断，提取光开关中两个微环的初始谐振波长；
预估微环谐振波长的调谐效率，根据目标波长移动量、功率电压关系在驱动电压计算模块计算电压调谐量，自动控制模块获取电压调谐量并驱动可编程电压源分别调谐两个微环，记录这两个状态下光开关交叉端口的传输谱；
按照下列公式修正第一微环谐振波长的调谐效率和第二微环谐振波长的调谐效率：
η1,n＝η1,n-1×dλ1,t/dλ1,n-1
η2,n＝η2,n-1×dλ2，t/dλ2,n-1
其中，η1,n和η2,n为第n次调谐的两个微环的波长调谐效率，dλ1,t和dλ2，t为两个微调的目标波长调谐量，dλ1,n-1和dλ2,n-1分别为第n-1次调谐后使用所述传输谱预处理模块(3201)计算出的微环波长调谐量；
依据修正后的调谐效率和目标波长移动量，利用驱动电压计算模块(3202)计算修正后的电压调谐量，驱动可编程电压源(340)同时调谐两个微环，即可将光开关校准到目标波长附近，传输谱采集模块(300)记录其交叉端口和直通端口的传输谱；
步骤2)交叉状态识别与校准：
使用传输谱采集模块(300)获取交叉端口和直通端口的传输谱，并使用传输谱预处理模块(3201)进行预处理；
设定光开关消光比的目标值，即调节过程中光开关消光比达到该目标值则终止调节；
利用训练后的神经网络对传输谱进行识别以获取当前光开关的工作状态参数dλ；
对当前第一微环谐振波长的调谐效率和第二微环谐振波长的调谐效率进行修正；
根据所述光开关工作状态参数dλ及修正后微环谐振波长的调谐效率η1,n，η2,n，在驱动电压计算模块(3202)中利用功率电压关系式计算将光开关校准到交叉状态所需的电压调节量，使用可编程电压源对所述微环辅助马赫-增德尔干涉光开关的移相器施加计算得到的电压调节量；
使用光功率计和数据采集器测试调谐后光开关消光比；
使用所述控制判断模块判断是否达到调谐终止条件：若开关消光比小于目标值，则重复上述识别校准步骤；若开关消光比大于目标值，则判定开关处于交叉状态，并记录此时施加到所述移相器(120)上的电压，交叉状态识别校准结束；
步骤3)直通状态识别与校准：
利用在交叉状态下识别的光开关工作参数，计算直通状态下两个微环的谐振波长目标偏移量公式如下：
其中，a为微环损耗因子，t为微环与MZI调制臂耦合因子；
结合步骤2)得到的最终修正后的两微环谐振波长调谐效率，在驱动电压计算模块中利用功率电压关系式计算输出到两微环上电压值；
使用光功率计和数据采集器测试调谐后光开关消光比；
使用所述控制判断模块判断是否达到调谐终止条件：
若开关消光比小于目标值，则需要利用神经网络识别模块对传输谱进行识别以获取当前光开关的工作状态参数dλ；对当前第一微环谐振波长的调谐效率和第二微环谐振波长的调谐效率进行修正，并依此修正两个输出微环上的电压调节量；
若开关消光比大于目标值，则判定开关处于直通状态，并记录此时加到微环上的电压，交叉状态识别校准结束。
所述的传输谱预处理，过程包括：确定每条传输谱谐振峰的左右两侧一定波长范围的等间距波长点，将这些波长点对应的交叉端口、直通端口的谱线段进行拼接后作为用于训练和识别的传输谱线样本。
所述的修正微环谐振波长调谐效率的修正算法为：η1,n＝η1,n-1×(dλ1,t-dλ1,n-1)/dλ1,n-1,η2,n＝η2,n-1×(dλ2,t-dλ2,n-1)/dλ2,n-1。其中η1,n和η2,n为第n次调谐的两个微环的波长调谐效率，dλ1,t和dλ2，t为首次调谐时两个微调的目标波长调谐量，dλ1,n-1和dλ2,n-1第n-1次调谐后识别出来的微环波长调谐量。
与现有技术相比,本发明的有益效果是针对微环型光开关工作状态校准过程自动化，并且可以很容易地拓展到微环型光开关矩阵中，若成功拓展到光开关矩阵中，更体现出本发明的自动化程度高，调谐时间短等优点。
附图说明
图1为本发明中所使用的微环辅助马赫-曾德尔干涉光开关结构。
图2为本发明中使用的微环辅助马赫-曾德尔干涉光开关的工作原理图。
图3为本发明基于微环辅助马赫-增德尔干涉光开关状态自动校装置的示意图。
图4为本发明基于微环辅助马赫-增德尔干涉光开关状态自动校准装置中数据处理模块示意图。
图5为本发明基于微环辅助马赫-增德尔干涉光开关状态自动校准装置中神经网络识别模块示意图。
图6为本发明基于微环辅助马赫-增德尔干涉光开关状态自动校准装置中自动控制模块示意图。
图7为本发明基于微环辅助马赫-增德尔干涉光开关状态自动校准方法流程示意图。
图8为本发明基于微环辅助马赫-增德尔干涉光开关状态自动校准方法中预校准的流程示意图。
图9为本发明基于微环辅助马赫-增德尔干涉光开关状态自动校准方法中交叉状态校准流程示意图。
图10为本发明基于微环辅助马赫-增德尔干涉光开关状态自动校准方法中直通状态校准流程示意图。
图11为本发明中实施例单元处于无源状态下交叉端口的传输谱线。
图12为本发明中实施例单元实施例器件处于预校准之后交叉端口的传输谱线。
图13为本发明中实施例单元实施例器件在经历交叉状态校准过程中第一轮校准后交叉端口和直通端口的传输谱线。
图14为本发明中实施例单元实施例器件在经历交叉状态校准过程中第二轮校准后交叉端口和直通端口的传输谱线。
图15为本发明中实施例单元实施例器件在经历交叉状态校准过程中第三轮校准后交叉端口和直通端口的传输谱线。
图16为本发明中实施例单元实施例器件处于交叉状态校准之后交叉端口与直通端口的传输谱线。
图17为本发明中实施例单元实施例器件处于直通状态校准之后交叉端口与直通端口的传输谱线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述，然而实施例有多种存在形式，且不应被理解为限于在此阐述的反例；相反地，提供这些实施例可以使得本发明更加全面和完整。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。
本实施首先引入一种微环辅助马赫-增德尔干涉光开关的结构，如图1所示，该微环辅助马赫-曾德尔干涉光开关主体由一个较短的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)100和分别与MZI上下两个调制臂耦合的微环谐振腔(MRR)110组成。120代表集成在微环波导上方的热移相器，130代表该光开关波导截面示意。图2展示了该光开关的工作原理，处于初始状态时，两个微环的谐振波长重叠，此时两个微环的耦合波导上的相位一致。由于上下两个调制臂的相位差为0，基于MZI的干涉原理，此时该开关单元工作于交叉状态。当微环工作在过耦合模式时，结构中MZI上下两臂的相位响应在MRR的谐振波长附近从0到2π快速变化。如果在其中一个微环中采用热光或电光调制引入较小的相移使其谐振波长蓝移，就可以在上下两臂之间引入π的相位差从而将该开关单元的工作状态切换到直通状态。
本实施例展示了微环辅助马赫-增德尔干涉光开关状态自动校准系统示意图如图3所示。微环辅助马赫-增德尔干涉光开关包括马赫-曾德尔干涉仪100及其上下两个调制臂耦合的微环谐振腔110，集成在该微环谐振腔110上方的移相器120，还包括输入端口、交叉端口和直通端口。自动校准装置包括：传输谱采集模块300、数据处理模块320、自动控制模块330和可编程电压源340，所述的传输谱采集模块300包括可调激光器3001、光功率计和数据采集器3002，所述的可调激光器3001的输出端接所述的马赫-曾德尔干涉仪100的输入端口，所述的光功率计和数据采集器3002的输入端接所述的马赫-曾德尔干涉仪100的交叉端口和直通端口，所述的光功率计和数据采集器3002的输出端与所述的数据处理模块320的输入端相连，所述的数据处理模块320的输出端与所述的自动控制模块330的输入端相连，所述的自动控制模块330的控制端分别与所述的可编程电压源340、可调激光器3001、数据处理模块320以及光功率计和数据采集器3002的控制端相连，所述的可编程电压源340的输出端与所述的两个微环110的移相器130的输入端相连。传输谱采集模块300采集光开关的传输谱线，主要包括连续光由可调激光器3001输入该光开关310的端口1，端口2和端口3经过光纤接入到光功率计和数据采集器3002记录交叉端口和直通端口的传输谱。数据处理模块320获取传输谱，并完成传输谱预处理、预校准、神经网络状态识别以及控制状态判断。自动控制模块340完成对可调激光器3001、光功率计和数据采集器3002、可编程电压源340的时序控制。
本实施例展示了数据处理模块320系统示意图如图4所示。所述的数据处理模块320包括传输谱预处理模块3201、驱动电压计算模块3202、神经网络识别模块3203和控制判断模块3204、所述的传输谱预处理模块3201对从传输谱采集模块300采集到的光开关传输谱进行预处理，其工作方式如下：若交叉端传输谱有两个谐振点，那么以两个谐振点中点为中心，10pm为步长左右各取300个点为波长范围；若交叉端传输谱有一个谐振点，那么以该谐振点为中心，10pm为步长左右各取300点为波长范围，最终将交叉端和直通端传输谱连在一起完成预处理。驱动电压计算模块3202用来计算光开关各个调谐步骤所需调谐电压。神经网络识别模块3203基于已经训练好的网络参数，用于对所述预处理后的传输谱进行识别，输出当前工作状态下光开关的状态参数。控制判断模块3204用于控制开关整个识别和校准过程，并判断开关消光比是否达到目标值以终止校准过程。
本实施例展示了所述神经网络识别模块3203如图5所示，其主体为一个多层误差反馈神经网络(BP-ANN)。该网络的输入层对应光开关单元交叉端口和直通端口两条传输谱在一定波长范围内经相同标准离散化后对应的传输值向量，网络的输出层对应该光开关单元微环损耗因子a、微环与MZI调制臂耦合因子t、当前工作状态两个微环的谐振波长差dλ以及MZI两调制臂相位差这四个参数。该网络的训练集和测试集来源于由该光开关单元传输矩阵模型产生的若干仿真样本。此外，我们也可以通过选择足够多的光开关进行实测产生样本，样本的波长范围需要根据实际情况确定。使用所述训练集中众多样本训练和测试集的验证后，该网络具备对该光开关单元工作状态的识别能力。在使用该神经网络进行实验之前，必须先对神经网络进行训练，训练神经网络过程为S0。对于步骤S0，其特征在于，具体步骤如下：
S01：获取光开关交叉端口和直通端口传输谱的集合及对应光开关状态参数的集合；
S02：建立反映由光开关传输谱到光开关状态参数之间非线性映射的误差反向传播式神经网络模型(BP-ANN)；
S03：按照统一标准对所述光开关传输谱预处理后，将其和对应光开关状态参数代入所述的神经网络中进行训练，确定神经网络内各连接处的权值和偏置，保存训练好的神经网络模型。
对于机器学习算法方面，本实施例给出了一种监督学习算法，监督学习算法可以是全连接感知器，可以误差反向传播神经网络，也可以是径向基函数神经网络，甚至可以是深度ImageNet和GoogleNet等深度网络，本发明对此不做特殊限定。
本实施例展示了所述自动控制模块330如图6所示，其包括三个部分：其一为控制平台与其他开发环境的程序间接口3301，该接口用于获取神经网络识别结果、计算可编程电压源所需调谐电压；其二为可编程电压源控制驱动3302，该驱动用于对可编程电压源340进行驱动和设定；其三为可调激光器控制驱动3303，该驱动用于对可调激光器3001和光功率计和数据采集器3002进行驱动和控制，自动获取当前工作状态下光开关的传输谱线。
本实施例所提供的基于机器学习的微环辅助马赫-增德尔干涉光开关自动校准算法的可以应用于针对以微环为代表的微环腔辅助马赫-增德尔干涉光开关的状态识别，进而将其自动校准到交叉状态或直通状态，其整体流程如图7所示：
步骤S1：对微环辅助马赫-增德尔干涉光开关进行预校准；
步骤S2：对微环辅助马赫-增德尔干涉光开关的交叉状态进行校准；
步骤S3：对微环辅助马赫-增德尔干涉光开关的直通状态进行校准。
下面针对其各个步骤进行详细介绍。
步骤S1：对微环辅助马赫-增德尔干涉光开关的预校准方法如图8所示，其具体步骤如下：
S11：测试无源状态下该光开关单元交叉端口的传输谱，并读取无源状态下该光开关单元中两个微环的谐振波长；
S12：初始化两个微环谐振波长调谐效率分别为ηU0和ηD0并依照上述调谐效率分别对两个微环进行调谐，两次调谐后两个分别读取微环的谐振波长；
S13：基于前两步修正调谐效率为ηU1和ηD1；
S14：使用修正后的调谐效率ηU1和ηD1、波长移动量和功率电压关系计算两个微环所需调谐电压，并进行调谐以完成预校准；
S15：记录预校准过程之后该光开关单元交叉端口和直通端口的传输谱线Γ0。
举例来说，某一微环辅助马赫-增德尔干涉光开关的双环初始谐振波长为1552.0nm和1552.1nm，其交叉端口传输谱线如图11所示。目标波长为1555nm，则经过预步骤S1之后该光开关的交叉端口传输谱线如图12所示，且谐振波长为1555.15nm。
步骤S2：针对微环辅助马赫-增德尔干涉光开关的交叉状态校准方法如图9所示，其具体步骤如下：
S21：将预调谐后的传输谱线Γ0输入到所述的神经网络识别模块3203中，输出该状态下两个微环谐振波长差dλ0；
S22：锁定调谐目标微环，初始化两个微环谐振波长调谐效率,依照上述调谐效率和该状态下谐振波长差自动计算出目标微环所需电压调谐量，再使用自动控制模块330自动设定对应可编程电压源340的输出调谐电压；
S23：记录经过S22之后该光开关单元交叉端口和直通端口的传输谱线Γ1；
S24：将传输谱线Γ1输入到所述的神经网络识别模块3203中，输出该状态下两个微环谐振波长差dλ1，比较S22和S23中两个微环谐振波长差，修正该微环谐振波长调谐效率并依照该调谐效率结合第S21中的识别结果dλ0，使用自动控制模块330自动设定对应可编程电压源340的输出调谐电压，记录该光开关单元交叉端口和直通端口的传输谱线Γ2；
S25:当该光开关的消光比大于目标值25dB后进入下一步，否则返回步骤S22；
S26：记录最终的两电压源输出电压U1，U2和两个微环谐振波长的调谐效率，记录该光开关单元交叉端口和直通端口的传输谱线Γ3，终止校准过程。
例如某一微环辅助马赫-增德尔干涉光开关经过预校准后的交叉端口和直通端口的传输谱线Γ0如图13所示，经过几轮交叉状态校准，其传输谱变化过程如图13-15所示；最终校准到交叉状态，其传输谱如图16所示，消光比为26dB。
步骤S3：针对微环辅助马赫-增德尔干涉光开关的直通状态校准方法如图10所示，其具体步骤如下：
S31：使用所述的神经网络识别模块3203输出该光开关单元微环损耗因子a、微环与MZI调制臂耦合因子t，并按下列公式计算将该光开关单元调到直通状态所需两微环谐振波长偏移量：δλ＝acos((a(1+t2))/(t(1+a2)))；
S32：使用上述修正后的双微环谐振波长调谐效率，计算双微环谐振波长分别偏移-δλ/2和δλ/2所需的电压值；
S33：使用自动校准系统驱动对应的可编程电压源340输出由S32计算的电压值并记录此时该光开关单元交叉端口和直通端口的传输谱线Γ4；
S34：将传输谱线Γ4输入到所述神经网络识别模块330中，输出该状态下两个微环谐振波长差dλ1，比较dλ1和δλ，修正双微环谐振波长调谐效率并使用自动控制模块330自动设定对应可编程电压源340的输出调谐电压，记录该光开关单元交叉端口和直通端口的传输谱线Γ5；
S35:当该光开关的消光比大于目标值25dB，则进入下一步，否则返回S32；
S36记录最终的两电压源输出电压U1，U2和两个微环谐振波长的调谐效率，记录该光开关单元交叉端口和直通端口的传输谱线Γb后，终止校准过程。。
例如某一微环辅助马赫-增德尔干涉光开关经过交叉状态校准后的交叉端口和直通端口的传输谱线Γ4如图16所示，经过直通状态校准，其传输谱线如图17所示，最终校准到直通状态，消光比为26dB。
需要注意的是，上述附图仅是根据本发明示例性实施例的方法所包括的示意性说明，而不是限制目的。上述附图所示的处理并不表明或限制这些操作的时间顺序，并且上述操作也可能是同步或者异步执行的。
上述附图仅是根据本发明示例性实施方案所包括的操作的示意说明，而并没有限制的目的。上述附图所示的操作并不表明这些操作的时间顺序或者逻辑顺序。
本领域技术人员在考虑说明书及复现实施方案后，将很容易想到本发明的其他实施例。本申请旨在涵盖本发明的任何变形、用途或者适应性变化。这些变形、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识和惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为是示意性的，本发明的真正范围讲以权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于微环辅助马赫-增德尔干涉光开关的自动校准装置，其特征在于，包括：传输谱采集模块(300)、数据处理模块(320)、自动控制模块(330)和可编程电压源(340)，所述的传输谱采集模块(300)包括可调激光器(3001)、光功率计和数据采集器(3002)，所述的可调激光器(3001)的输出端接所述的马赫-曾德尔干涉仪(100)的输入端口，所述的光功率计和数据采集器(3002)的输入端接所述的马赫-曾德尔干涉仪(100)的交叉端口和直通端口，所述的光功率计和数据采集器(3002)的输出端与所述的数据处理模块(320)的输入端相连，所述的数据处理模块(320)的输出端与所述的自动控制模块(330)的输入端相连，所述的自动控制模块(330)的控制端分别与所述的可编程电压源(340)、可调激光器(3001)、数据处理模块(320)以及光功率计和数据采集器(3002)的控制端相连，所述的可编程电压源(340)的输出端与所述的微环辅助马赫-增德尔干涉光开关相连。
2.根据权利要求1所述的自动校准装置，其特征在于，所述的数据处理模块(320)包括传输谱预处理模块(3201)、驱动电压计算模块(3202)、神经网络识别模块(3203)和控制判断模块(3204)；
所述的传输谱预处理模块：用于对采集到的传输谱进行预处理，使之符合使用神经网络的识别要求，并传输至神经网络识别模块；
所述的驱动电压计算模块：用于根据微环谐振波长变化量计算加热器驱动电压；
所述的神经网络识别模块：保存已经训练好的神经网络参数，并对所述预处理后的传输谱进行识别，输出当前工作状态下光开关的状态参数；
所述的控制判断模块：用于判断光开关识别校准的状态，并分别与所述的传输谱预处理模块(3201)、驱动电压计算模块(3202)、神经网络识别模块(3203)和控制判断模块(3204)进行通信与控制。
3.根据权利要求1所述的自动校准装置，其特征在于，所述的自动控制模块(330)包括环境接口(3301)、控制平台、电压源驱动(3302)和控制驱动(3303)，所述的环境接口(3301)用于与Python或者MATLAB编程环境的数据交互；控制平台用于对诸如可编程电压源(340)、可调激光器(3001)、光功率计和数据采集器(3002)等外设的整体调度；所述的电压源驱动(3302)和控制驱动(3303)用于对诸如可编程电压源(340)、可调激光器(3001)、光功率计和数据采集器(3002)等外设的数据通信。
4.根据权利要求1所述的自动校准装置，其特征在于所述的可调激光器(3001)输出指定波长范围内的连续激光。
5.根据权利要求1所述的自动校准装置，其特征在于，所述的可编程电压源(340)为多路可编程电压源。
6.一种基于微环辅助马赫-增德尔干涉光开关自动校准方法，其特征在于,包括如下步骤：
步骤1)光开关状态预校准：
使用传输谱采集模块(300)获取无源状态下，光开关交叉端口的传输谱；
通过传输谱预处理模块(3201)对所述的传输谱进行波谷位置判断，提取光开关中两个微环的初始谐振波长；
预估微环谐振波长的调谐效率，根据目标波长移动量、功率电压关系在驱动电压计算模块(3202)计算电压调谐量，自动控制模块(330)获取电压调谐量并驱动可编程电压源(340)分别调谐两个微环，记录这两个状态下光开关交叉端口的传输谱；
按照下列公式修正第一微环谐振波长的调谐效率和第二微环谐振波长的调谐效率：
η1,n＝η1,n-1×dλ1,t/dλ1,n-1
η2,n＝η2,n-1×dλ2，t/dλ2,n-1
其中，η1,n和η2,n为第n次调谐的两个微环的波长调谐效率，dλ1,t和dλ2，t为两个微调的目标波长调谐量，dλ1,n-1和dλ2,n-1分别为第n-1次调谐后使用所述传输谱预处理模块(3201)计算出的微环波长调谐量；
依据修正后的调谐效率和目标波长移动量，利用驱动电压计算模块(3202)计算修正后的电压调谐量，驱动可编程电压源(340)同时调谐两个微环，即可将光开关校准到目标波长附近，传输谱采集模块(300)记录其交叉端口和直通端口的传输谱；
步骤2)交叉状态识别与校准：
使用传输谱采集模块(300)获取交叉端口和直通端口的传输谱，并使用传输谱预处理模块(3201)进行预处理；
设定光开关消光比的目标值，即调节过程中光开关消光比达到该目标值则终止调节；
利用训练后的神经网络对传输谱进行识别以获取当前光开关的工作状态参数dλ；
对当前第一微环谐振波长的调谐效率和第二微环谐振波长的调谐效率进行修正；
根据所述光开关工作状态参数dλ及修正后微环谐振波长的调谐效率η1,n，η2,n，计算将光开关校准到交叉状态所需的电压调节量，使用可编程电压源对所述微环辅助马赫-增德尔干涉光开关的移相器施加计算得到的电压调节量；
使用光功率计和数据采集器(3002)测试调谐后光开关消光比；
使用所述控制判断模块(3204)判断是否达到调谐终止条件：若开关消光比小于目标值，则重复上述识别校准步骤；若开关消光比大于目标值，则判定开关处于交叉状态，并记录此时施加到所述移相器(120)上的电压，交叉状态识别校准结束；
步骤3)直通状态识别与校准：
利用在交叉状态下识别的光开关工作参数，计算直通状态下两个微环的谐振波长目标偏移量公式如下：
其中，a为微环损耗因子，t为微环与MZI调制臂耦合因子；
结合步骤2)得到的修正后微环谐振波长的调谐效率η1,n，η2,n两微环谐振波长调谐效率，计算输出到两微环上电压值；
使用光功率计和数据采集器(3002)测试调谐后光开关消光比；
使用所述控制判断模块(3204)判断是否达到调谐终止条件：
若开关消光比小于目标值，则利用神经网络识别模块(3203)对传输谱进行识别以获取当前光开关的工作状态参数dλ；对当前第一微环谐振波长的调谐效率和第二微环谐振波长的调谐效率进行修正，并依此修正两个输出微环上的电压调节量；
若开关消光比大于目标值，则判定开关处于直通状态，并记录此时加到微环上的电压，交叉状态识别校准结束。
7.根据权利要求6所述的基于机器学习的微环辅助马赫-增德尔干涉光开关自动校准方法，其特征在于,在所述步骤1)光开关状态预校准前，需要对用于识别光开关工作状态的神经网络进行训练，其输入为光开关传输谱的离散点，输出为描述光开关工作状态的参数，即微环损耗因子a、微环与MZI调制臂耦合因子t、当前工作状态两个微环的谐振波长差dλ以及MZI两调制臂相位差
8.根据权利要求6所述的基于机器学习的微环辅助马赫-增德尔干涉光开关自动校准方法，其特征在于,所述的步骤2)中使用传输谱采集模块(300)获取交叉端口和直通端口的传输谱，并使用传输谱预处理模块(3201)进行预处理，具体是：确定每条传输谱谐振峰的左右两侧一定波长范围的等间距波长点，将这些波长点对应的交叉端口、直通端口的谱线段进行拼接后作为用于识别的传输谱线样本。
9.根据权利要求6所述的基于机器学习的微环辅助马赫-增德尔干涉光开关自动校准方法，其特征在于,所述的步骤2)和3)中对当前第一微环谐振波长的调谐效率和第二微环谐振波长的调谐效率进行修正，公式如下：
η1,n＝η1,n-1×(dλ1,t-dλ1,n-1)/dλ1,n-1,η2,n＝η2,n-1×(dλ2,t-dλ2,n-1)/dλ2,n-1
其中，η1,n和η2,n为第n次调谐的两个微环的波长调谐效率，dλ1,t和dλ2，t为首次调谐时两个微调的目标波长调谐量，dλ1,n-1和dλ2,n-1第n-1次调谐后识别出来的微环波长调谐量。
10.根据权利要求6所述的基于机器学习的微环辅助马赫-增德尔干涉光开关自动校准方法，其特征在于，所述的神经网络的训练集可由光开关仿真模型批量产生，也可以通过实际测试得到，网络模型为反映由光开关传输谱到光开关状态参数之间非线性映射的误差反向传播式神经网络(BP-ANN)，对神经网络进行训练，确定神经网络内各连接处的权值和偏置，将训练好的神经网络参数文件保存到神经网络识别模块(3203)。
CN201910720041.0A 2019-08-06 2019-08-06 微环辅助马赫-增德尔光开关自动校准装置及方法 Active CN110488414B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910720041.0A CN110488414B (zh) 2019-08-06 2019-08-06 微环辅助马赫-增德尔光开关自动校准装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910720041.0A CN110488414B (zh) 2019-08-06 2019-08-06 微环辅助马赫-增德尔光开关自动校准装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110488414A true CN110488414A (zh) 2019-11-22
CN110488414B CN110488414B (zh) 2020-12-04

Family

ID=68549545

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910720041.0A Active CN110488414B (zh) 2019-08-06 2019-08-06 微环辅助马赫-增德尔光开关自动校准装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110488414B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111427122A (zh) * 2020-05-14 2020-07-17 上海交通大学 N×n硅基偏振无关光开关系统
CN111953412A (zh) * 2020-08-07 2020-11-17 苏州浪潮智能科技有限公司 一种实现光模块开关光信息同步的方法和装置
CN112084653A (zh) * 2020-09-07 2020-12-15 西安电子科技大学 片上光互连分析图形化方法、装置、路由器及评估平台
CN113176497A (zh) * 2021-04-21 2021-07-27 之江实验室 一种集成光交换芯片中开关单元的校准方法
CN114199785A (zh) * 2021-11-18 2022-03-18 国网浙江省电力有限公司诸暨市供电公司 基于gan数据增强的回音壁微腔传感方法
CN114815325A (zh) * 2022-06-29 2022-07-29 浙江大学 一种基于热光调制的微环辅助mzi光开关

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1651854A (zh) * 2005-02-23 2005-08-10 中国科学院上海光学精密机械研究所 马赫－曾德尔型相移矢量剪切干涉仪
CN1862239A (zh) * 2006-06-15 2006-11-15 华中科技大学 分布式光纤振动传感方法及装置
CN101969340A (zh) * 2010-11-03 2011-02-09 武汉邮电科学研究院 一种抑制马赫曾德调制器偏置点漂移的自适应补偿方法
CN102098105A (zh) * 2011-01-06 2011-06-15 中兴通讯股份有限公司 一种自适应调制的光纤通信的方法及系统
WO2011139347A2 (en) * 2010-05-04 2011-11-10 Sensortran, Inc. Mitigation of radiation induced attenuation losses in optic fibers
CN102997937A (zh) * 2012-12-12 2013-03-27 天津大学 一种可抑制光源相位噪声的光频域反射装置和解调方法
CN103070669A (zh) * 2013-01-18 2013-05-01 杭州电子科技大学 一种基于级联马赫曾德干涉仪的光谱相位校准系统及方法
US8662676B1 (en) * 2012-03-14 2014-03-04 Rawles Llc Automatic projector calibration
CN105867497A (zh) * 2016-05-17 2016-08-17 华中科技大学 一种mz调制器偏置电压自适应控制方法
CN108110612A (zh) * 2018-02-08 2018-06-01 中国科学院福建物质结构研究所 一种基于马赫-增德尔干涉仪的无调制稳频方法和装置
CN207884068U (zh) * 2018-02-08 2018-09-18 中国科学院福建物质结构研究所 一种基于马赫-增德尔干涉仪的无调制稳频装置
CN109507812A (zh) * 2018-12-24 2019-03-22 北京工业大学 一种功能复用集成铌酸锂波导电光调制器

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1651854A (zh) * 2005-02-23 2005-08-10 中国科学院上海光学精密机械研究所 马赫－曾德尔型相移矢量剪切干涉仪
CN1862239A (zh) * 2006-06-15 2006-11-15 华中科技大学 分布式光纤振动传感方法及装置
WO2011139347A2 (en) * 2010-05-04 2011-11-10 Sensortran, Inc. Mitigation of radiation induced attenuation losses in optic fibers
CN101969340A (zh) * 2010-11-03 2011-02-09 武汉邮电科学研究院 一种抑制马赫曾德调制器偏置点漂移的自适应补偿方法
CN102098105A (zh) * 2011-01-06 2011-06-15 中兴通讯股份有限公司 一种自适应调制的光纤通信的方法及系统
US8662676B1 (en) * 2012-03-14 2014-03-04 Rawles Llc Automatic projector calibration
CN102997937A (zh) * 2012-12-12 2013-03-27 天津大学 一种可抑制光源相位噪声的光频域反射装置和解调方法
CN103070669A (zh) * 2013-01-18 2013-05-01 杭州电子科技大学 一种基于级联马赫曾德干涉仪的光谱相位校准系统及方法
CN105867497A (zh) * 2016-05-17 2016-08-17 华中科技大学 一种mz调制器偏置电压自适应控制方法
CN108110612A (zh) * 2018-02-08 2018-06-01 中国科学院福建物质结构研究所 一种基于马赫-增德尔干涉仪的无调制稳频方法和装置
CN207884068U (zh) * 2018-02-08 2018-09-18 中国科学院福建物质结构研究所 一种基于马赫-增德尔干涉仪的无调制稳频装置
CN109507812A (zh) * 2018-12-24 2019-03-22 北京工业大学 一种功能复用集成铌酸锂波导电光调制器

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SATOSHI SUDA: "Fast and Accurate Automatic Calibration of a 32 × 32 Silicon Photonic Strictly-Non-Blocking Switch", 《PHOTONICS IN SWITCHING 2017》 *
张颖: "马赫_曾德尔分布式光纤周界防范系统定位算法研究", 《中国激光》 *

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111427122A (zh) * 2020-05-14 2020-07-17 上海交通大学 N×n硅基偏振无关光开关系统
CN111427122B (zh) * 2020-05-14 2021-05-04 上海交通大学 N×n硅基偏振无关光开关系统
CN111953412A (zh) * 2020-08-07 2020-11-17 苏州浪潮智能科技有限公司 一种实现光模块开关光信息同步的方法和装置
CN111953412B (zh) * 2020-08-07 2022-03-08 苏州浪潮智能科技有限公司 一种实现光模块开关光信息同步的方法和装置
CN112084653A (zh) * 2020-09-07 2020-12-15 西安电子科技大学 片上光互连分析图形化方法、装置、路由器及评估平台
CN112084653B (zh) * 2020-09-07 2024-02-23 西安电子科技大学 片上光互连分析图形化方法、装置、路由器及评估平台
CN113176497A (zh) * 2021-04-21 2021-07-27 之江实验室 一种集成光交换芯片中开关单元的校准方法
CN113176497B (zh) * 2021-04-21 2022-05-27 之江实验室 一种集成光交换芯片中开关单元的校准方法
CN114199785A (zh) * 2021-11-18 2022-03-18 国网浙江省电力有限公司诸暨市供电公司 基于gan数据增强的回音壁微腔传感方法
CN114199785B (zh) * 2021-11-18 2023-09-26 国网浙江省电力有限公司诸暨市供电公司 基于gan数据增强的回音壁微腔传感方法
CN114815325A (zh) * 2022-06-29 2022-07-29 浙江大学 一种基于热光调制的微环辅助mzi光开关

Also Published As

Publication number Publication date
CN110488414B (zh) 2020-12-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110488414A (zh) 基于微环辅助马赫-增德尔光开关的自动校准装置及方法
Wu et al. Programmable phase-change metasurfaces on waveguides for multimode photonic convolutional neural network
Shokraneh et al. A single layer neural network implemented by a $4\times 4$ MZI-based optical processor
WO2021227767A1 (zh) 在光波导和/或光芯片上实现的全光衍射神经网络及系统
EP3631694B1 (en) Multimode reservoir
CN104133336B (zh) 基于硅基纳米线波导的片上集成光学数模转换器
US20220164634A1 (en) Optical diffractive processing unit
CN111582468B (zh) 光电混合智能数据生成计算系统及方法
CN111582435A (zh) 基于残差网络的衍射深度神经网络系统
US20220300796A1 (en) Photonic neural network
CN115857349B (zh) 一种忆阻神经网络的指数同步控制方法
CN110309916A (zh) 多级空频域调制非线性全光学深度学习系统及方法
Tan et al. Monadic Pavlovian associative learning in a backpropagation-free photonic network
WO2021216282A1 (en) Phase-change metasurface for programmable waveguide mode conversion
CN117233960B (zh) 基于智能光计算的光学系统在线设计方法与装置
Carrillo et al. System-level simulation for integrated phase-change photonics
CN103529520B (zh) 基于微流体调控的可调谐多路波分复用装置和复用方法
Shokraneh et al. High-performance programmable MZI-based optical processors
CN113673677B (zh) 一种非线性激活函数relu的实现方法、设备及介质
US20220300798A1 (en) Optical devices and methods
Dan et al. Optoelectronic integrated circuits for analog optical computing: Development and challenge
CN115480614A (zh) 集成光源和控制非门光量子计算芯片及采用其的教学系统
Zhao et al. Physics-Aware Predictive Models for Tunable Photonics Devices
Wu et al. Programmable Phase-change Metasurface for Multimode Photonic Convolutional Neural Network
Morison et al. Nonlinear dynamics in neuromorphic photonic networks: physical simulation in Verilog-A

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant