CN111427122A - N×n硅基偏振无关光开关系统 - Google Patents

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Abstract

一种N×N硅基偏振无关光开关系统，包括芯片和控制模块，所述的芯片包括N路光输入偏振分束器、N路光偏振控制器、N×N光开关阵列和N路光输出耦合器，所述的控制模块包含跨阻放大器TIA、模数转换器芯片、单片机控制芯片、数模转换器芯片和驱动放大器。本发明将任意偏振的输入光经过偏振分束器后分解为两个正交偏振，通过调节光偏振控制器中的移相器相位将光全部调节为横电模输入到光开关阵列中。通过光功率探测器和外部控制电路实现光偏振的自动反馈控制。N×N光开关阵列通过若干个2×2开关单元和波导交叉结以无阻塞拓扑结构排布实现。本发明将控制电路与光路进行结合，对任意偏振输入光实现了无阻塞光交换，对于硅基光开关芯片的实际应用有重要的价值。

Description

N×N硅基偏振无关光开关系统
技术领域
本发明涉及光通信的集成光学领域，特别是一种N×N硅基偏振无关光开关系统。
背景技术
随着人们对大数据、云计算需求的不断增加，提高光纤通信容量成为至关重要的因素。光开关在云计算、数据中心等应用中起着重要的作用，它用来建立互联网络，进行高速数据交换。光开关阵列芯片和模块具有一个或多个可选的传输端口，对光传输线路或集成光路中的光信号进行物理切换或逻辑操作，在光网络中起到十分重要的作用。
硅波导作为超小型光子线路平台具有巨大的潜力。由于其折射率对比较大，它们的弯曲半径可小至几微米。然而，由于硅波导结构的双折射较大，引起的偏振模式色散(PMD)，偏振相关损耗(PDL)和偏振相关波长特性(PDλ)不可忽略，这些缺点限制了硅基光开关的应用范围。
然而，在实际应用中，非偏振保持光纤与硅光子波导耦合会发生偏振失配现象，通常我们用偏振控制器来解决这一问题。所以，为了提高光网络的实用性，设计实现偏振无关的大规模光开关网络显得尤为重要。研究偏振无关光开关就是要克服偏振失配现象，降低偏振相关损耗，提高实用性。国内外实现偏振无关的方法主要有两种：一种是通过设计波导尺寸来减小偏振敏感性，另一种是采用偏振分集。偏振分集的方法的核心单元是偏振分束旋转器(PSR)，输入光在偏振分束器处被分成正交TE模式和TM模式，同时用偏振旋转器将其中一种模式进行旋转，然后两束相同模式光经过两个相同的分集路径，之后再经过一个PSR进行旋转合束，实现了偏振无关。目前用这种方法已实现32×32的偏振无关光开关。通过设计波导尺寸实现的方案现有报道成果为基于580nm厚氮化硅平台的N×N光阵列开关。
用偏振分集的方式需要更多的开关单元，更复杂的拓扑网络；设计波导尺寸的方法需要高精度的波导尺寸控制，工艺误差小。为此，我们提出了将偏振分束器、偏振控制器与外部硬件控制电路相结合的方式来实现光开关的偏振无关特性。
发明内容
针对上述偏振无关光开关广泛的实际应用场景以及现有两种实现偏振无关光开关各自的缺陷，本发明提出一种N×N硅基偏振无关光开关系统。该系统既避免了光开关单元的大规模增加以及引起的串扰问题，对工艺容差也没有特别高的要求，具有极高的应用价值。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种N×N硅基偏振无关光开关系统，包括芯片和控制模块，其特点在于，所述的芯片包括N路光输入偏振分束器、N路光偏振控制器、N×N光开关阵列和N路光输出耦合器，所述的N路光输入偏振分束器的输出端分别与所述的N路光偏振控制器的输入端相连，所述的N路光偏振控制器的输出端分别与所述的N×N光开关阵列的N路输入端相连，所述的N×N光开关阵列的N路输出端分别与所述的N路光输出耦合器的输入端相连，最后光信号经过N路光输出耦合器输出，所述的控制模块的电学输入端口与所述的N路光偏振控制器电学输出端口相连，所述的控制模块的电学输出端口分别与所述的N路光偏振控制器的电学输入端口和N×N光开关阵列的电学输入端口相连。
所述的N路光输入偏振分束器采用二维光栅耦合器结构，外部光纤通过垂直耦合将光输入到芯片中；或采用倒锥形模斑转换器连接偏振分束旋转器的结构，外部光纤通过水平耦合将光输入到芯片中；两种结构都将输入光信号分解为两个正交的偏振，并转换为两个橫电(TE)模从两个输出波导端输出。
所述的N路光偏振控制器的光偏振控制器由两个输入波导、两个移相器、一个2×2马赫-增德尔干涉仪、一个片上光功率探测器和一个输出波导构成，其中一个移相器控制输入光信号的相对相位，另一个移相器控制马赫-增德尔干涉仪的工作状态，所述的片上光功率探测器将从所述的马赫-增德尔干涉仪的一个端口的光转换为光电流，通过改变两个移相器的相移，使得所述的片上光功率探测器的输出光电流最小，则光全部转换为TE模从输出波导输出，所述的片上光功率探测器的输出端与所述的控制模块的输入端相连。
所述的光偏振控制器的移相器采用热光效应和载流子色散效应，与所述的控制模块的输出端相连。
所述的片上光功率探测器采用锗硅PIN二极管结构。
所述N×N光开关阵列通过若干个2×2开关单元和波导交叉结构成：所述的2×2开关单元采用马赫-增德尔结构、微环谐振腔结构或者双环辅助马赫-增德尔结构；所述的波导交叉结采用多模干涉结构或多层波导结构。
所述的2×2开关单元中集成了移相器，通过改变移相器的状态将开关单元分别切换至交叉或直通状态，从而改变N×N光开关阵列的路由状态，实现不同的交换光路，所述的开关单元中的移相器与所述的控制模块的输出端相连。
所述的N路光输出耦合器采用光栅耦合器与外部光纤通过垂直耦合将光输出；或采用倒锥形模斑转换器与外部光纤通过水平耦合将光输出。
所述的控制模块由跨阻放大器、模数转换器芯片、单片机控制芯片、数模转换器芯片和驱动放大器组成，所述的跨阻放大器的输入端与偏振控制器中的片上光功率探测器的输出端相连，所述的跨阻放大器的输出端与所述的模数转换器芯片的输入端相连，所述的模数转换器芯片的输出端与所述的单片机控制芯片的输入端相连，所述的单片机控制芯片的输出端与所述的数模转换器芯片的输入端相连，所述的数模转换器芯片的输出端与所述的驱动放大器的输入端相连，电信号通过所述的驱动放大器的输出端输出。
所述的跨阻放大器将输入光电流放大转化为电压值，所述的模数转换器芯片对该电压进行读取并将该电压反馈给所述的单片机控制芯片，该单片机控制芯片根据此反馈值做出反应，命令所述的数模转换器输出合适电压值，经过所述的驱动放大器后输出给所述的N路光偏振控制器以及N×N光开关阵列中的移相器，根据所述的跨阻放大器的放大倍数和模数转换器芯片的位数确定读取的光功率的大小范围，根据所述的数模转换器芯片的位数确定所加电压的精度，所述的单片机控制芯片的控制算法主要思想为搜索全局最小值，可以采用爬山算法、模拟退火算法或粒子群优化算法等搜索算法来实现。
本发明和现有技术相比，有益效果主要体现在如下方面：
1、本发明N×N硅基偏振无关光开关芯片系统全部采用硅基衬底实现单片集成，结构紧凑，和CMOS工艺兼容，有利于大批量生产，降低成本。
2、本发明光开关偏振无关功能通过光输入偏振分束器、光偏振控制器、控制算法和外部电路实现；总体结构不需要很多开关单元，也不需要对开关单元的偏振不敏感性有很高的要求。
3、本发明将任意偏振的输入光经过偏振分束器后分解为两个正交偏振，通过调节光偏振控制器中的移相器相位将光全部调节为横电模输入到光开关阵列中。通过光功率探测器和外部控制电路实现光偏振的自动反馈控制。N×N光开关阵列通过若干个2×2开关单元和波导交叉结以无阻塞拓扑结构排布实现。本发明将控制电路与光路进行结合，对任意偏振输入光实现了无阻塞光交换，对于硅基光开关芯片的实际应用有重要的价值，可以灵活且稳定地适用于广泛的应用场合。
附图说明
图1为本发明N×N硅基偏振无关光开关芯片系统的总体架构图。
图2为本发明N×N硅基偏振无关光开关芯片系统中光偏振控制器的结构图。
图3为本发明N×N硅基偏振无关光开关芯片系统中控制模块的结构图。
图4为本发明实施例4×4偏振无关DLN光开关芯片的总体架构图。
图5为本发明实施例4×4偏振无关光开关芯片的偏振控制电路实现框图。
图6为本发明基于爬山算法的N×N硅基偏振无关光开关芯片系统实施例算法仿真结果图。
具体实施方式
为了进一步阐明本方案的目的、技术方案及核心优势，下文结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。请注意，下述具体实施例仅起解释目的，并不用于限定本发明。同时，各个实施例涉及到的技术特征只要彼此未构成冲突，就可以相互结合。
参考图1，图2，图3所示，由图可见，本发明N×N硅基偏振无关光开关系统，包括芯片和控制模块，所述的芯片包括N路光输入偏振分束器101、N路光偏振控制器102、N×N光开关阵列103和N路光输出耦合器104，所述的N路光输入偏振分束器101的输出端分别与所述的N路光偏振控制器102的输入端相连，所述的N路光偏振控制器102的输出端分别与所述的N×N光开关阵列103的N路输入端相连，所述的N×N光开关阵列103的N路输出端分别与所述的N路光输出耦合器104的输入端相连，最后光信号经过N路光输出耦合器104输出，所述的控制模块105的电学输入端口与所述的N路光偏振控制器102电学输出端口相连，所述的控制模块105的电学输出端口分别与所述的N路光偏振控制器102的电学输入端口和N×N光开关阵列103的电学输入端口相连。
所述的N路光偏振控制器102由两个输入波导1001、两个移相器1002、一个2×2马赫-增德尔干涉仪1003、一个片上光功率探测器1004和一个输出波导1005构成，所述的N路光偏振控制器102的输出端分别与所述的N×N光开关阵列103的N路输入端相连，所述的N×N光开关阵列103的N路输出端分别与所述的N路光输出耦合器104的输入端相连，最后光信号经过N路光输出耦合器104输出。
所述的控制模块105由跨阻放大器(TIA)2001、模数转换器芯片(ADC)2002、单片机控制芯片2003、数模转换器芯片(DAC)2004和驱动放大器(Driver)2005组成，所述的跨阻放大器2001的输入端与偏振控制器102中的片上光功率探测器1004的输出端相连，所述的跨阻放大器2001的输出端与所述的模数转换器芯片2002的输入端相连，所述模数转换器芯片2002的输出端与所述的单片机控制芯片2003的输入端相连，所述单片机控制芯片2003的输出端与所述的数模转换器芯片2004的输入端相连，所述的数模转换器芯片2004的输出端与驱动放大器2005的输入端相连，最后电信号通过驱动放大器2005的输出端输出，给N路光偏振控制器102以及N×N光开关阵列103中的移相器加电。
图4为本发明4×4偏振无关Double Layer Network(DLN)光开关阵列芯片和控制模块实施例的总体架构图。参考图4所示，首先，4路任意偏振态的光信号通过光纤阵列输入到偏振分束器101中，偏振分束器101包含锥形耦合器和偏振分束旋转器(PSR)，光信号分为TE光和TM光，同时TM光旋转为TE偏振光。接着光信号输入到光偏振控制器102，第一个移相器1002控制两束偏振光的相对相位，第二个移相器1002控制输出端口的幅度。参考图5所示，其中一个输出端口接入片上PD1004，该端口称为反馈端，另一输出端口与光开换阵列的输入端相连，该端口称为输出端。在反馈端口，PD1004将光功率信号转换为电流信号，然后由控制模块105进行放大、采样和处理。
通过传输矩阵法，可以建立不同偏振输入光下，反馈端输出光功率P和光偏振控制器中两个移相器相位的改变量
Figure BDA0002491504160000051
的关系。可以得到，当分数后TE和TM模式光初始相位相同时，反馈端P具有两个中心对称的全局最小点，所以可以通过改变两个移相器的相位将反馈端的光功率调到最小来获得输出端口处的功率最大化，从而输入光都转变为TE偏振光。
在控制模块中，反馈端输出的电流信号通过TIA放大并转化为电压信号，跨阻放大器输入电流信号范围为10pA-2mA，放大档位有3挡，分别为1000M，10M，1M，可以根据实际需求调档。然后，通过ADC对电信号进行采样，之后将其发送到单片机控制芯片。然后，在单片机控制芯片中运用全局最小功率搜索算法，搜索移相器的最优移相值，使得反馈端输出的光电流最小。在此过程中，通过DAC和驱动放大器对光偏振控制器中的移相器进行加电。
此外，通过随机产生20组不同偏振比例的输入光，每组随机50个初始相位，构成1000个样本来说明全局最小功率搜索算法的实现过程和可行性。对这1000个样本，我们首先在初始点附近采用大步长进行5次全局搜索，对搜索到的值进行比较，选取较小值后，再在这个较小值附近采用爬山算法搜索，根据反馈段功率变化量来调节步长，通过几次迭代可以搜索到全局最小值，有效避免产生局部最优。使用Matlab软件对算法进行仿真，对其最后搜索到的全局最小值以及迭代次数进行统计，结果如图6所示。可以看出，迭代次数平均为6次，加上全局搜索的迭代次数后，总的平均迭代次数为11次。搜索到的全局最小值，可以实现将99％的输入光信号转化为TE模式光从输出端口输出。
至此，算法结构部分结束，实现了对输入光信号的自动调控，4路TE偏振光信号输入到4×4开关阵列。然后调节4×4开关阵列中的单元，将它们分别加电调到cross或bar状态。可以通过查表法记录每个开关单元在cross和bar状态所需的电压，然后开关路由表和所需切换的状态，控制模块中的控制电路对4×4开关网络中的开关单元进行加电。该实施例中采用的是DLN拓扑结构，我们对其进行了创新性改进，将第二级2×2开关单元改进为四个1×2开关单元，以实现更低的串扰。
实验表明，本发明将任意偏振的输入光经过偏振分束器后分解为两个正交偏振，通过调节光偏振控制器中的移相器相位将光全部调节为横电模输入到光开关阵列中。通过光功率探测器和外部控制电路实现光偏振的自动反馈控制。N×N光开关阵列通过若干个2×2开关单元和波导交叉结以无阻塞拓扑结构排布实现。本发明将控制电路与光路进行结合，对任意偏振输入光实现了无阻塞光交换，对于硅基光开关芯片的实际应用有重要的价值。
在上述方案的基础上，该光开关芯片可以基于偏振分束旋转器对输入光进行偏振分束和旋转，通过控制算法及外部电路，实现快速光偏振控制和低串扰光开关阵列，实现4×4偏振无关硅基光开关，可根据实际应用进行扩展。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种N×N硅基偏振无关光开关系统，包括芯片和控制模块，其特征在于，所述的芯片包括N路光输入偏振分束器(101)、N路光偏振控制器(102)、N×N光开关阵列(103)和N路光输出耦合器(104)，所述的N路光输入偏振分束器(101)的输出端分别与所述的N路光偏振控制器(102)的输入端相连，所述的N路光偏振控制器(102)的输出端分别与所述的N×N光开关阵列(103)的N路输入端相连，所述的N×N光开关阵列(103)的N路输出端分别与所述的N路光输出耦合器(104)的输入端相连，最后光信号经过N路光输出耦合器(104)输出，所述的控制模块(105)的电学输入端口与所述的N路光偏振控制器(102)电学输出端口相连，所述的控制模块(105)的电学输出端口分别与所述的N路光偏振控制器(102)的电学输入端口和N×N光开关阵列(103)的电学输入端口相连。
2.如权利要求1所述的N×N硅基偏振无关光开关系统，其特征在于，所述的N路光输入偏振分束器(101)采用二维光栅耦合器结构，外部光纤通过垂直耦合将光输入到芯片中；或采用倒锥形模斑转换器连接偏振分束旋转器的结构，外部光纤通过水平耦合将光输入到芯片中；两种结构都将输入光信号分解为两个正交的偏振，并转换为两个橫电(TE)模从两个输出波导端输出。
3.如权利要求1所述的N×N硅基偏振无关光开关系统，其特征在于，所述的N路光偏振控制器(102)的光偏振控制器由两个输入波导(1001)、两个移相器(1002)、一个2×2马赫-增德尔干涉仪(1003)、一个片上光功率探测器(1004)和一个输出波导(1005)构成，其中一个移相器(1002)控制输入光信号的相对相位，另一个移相器(1002)控制马赫-增德尔干涉仪(1003)的工作状态，所述的片上光功率探测器(1004)将从所述的马赫-增德尔干涉仪(1003)的一个端口的光转换为光电流，通过改变两个移相器(1002)的相移，使得所述的片上光功率探测器(1004)的输出光电流最小，则光全部转换为TE模从输出波导(1005)输出，所述的片上光功率探测器(1004)的输出端与所述的控制模块(105)的输入端相连。
4.如权利要求3所述的N×N硅基偏振无关光开关系统，其特征在于，所述的光偏振控制器(102)的移相器(1002)采用热光效应和载流子色散效应，与所述的控制模块(105)的输出端相连。
5.如权利要求3所述的N×N硅基偏振无关光开关系统，其特征在于，所述的片上光功率探测器(1004)，采用锗硅PIN二极管结构。
6.如权利要求1所述的N×N硅基偏振无关光开关系统，其特征在于，所述的N×N光开关阵列(103)通过若干个2×2开关单元和波导交叉结构成：所述的2×2开关单元采用马赫-增德尔结构、微环谐振腔结构或者双环辅助马赫-增德尔结构；所述的波导交叉结采用多模干涉结构或多层波导结构。
7.如权利要求6所述的N×N硅基偏振无关光开关系统，其特征在于，所述的2×2开关单元中集成了移相器，通过改变移相器的状态将开关单元分别切换至交叉或直通状态，从而改变N×N光开关阵列的路由状态，实现不同的交换光路，所述的开关单元中的移相器与所述的控制模块的输出端相连。
8.如权利要求1所述的N×N硅基偏振无关光开关系统，其特征在于，所述的N路光输出耦合器(104)采用光栅耦合器与外部光纤通过垂直耦合将光输出；或采用倒锥形模斑转换器与外部光纤通过水平耦合将光输出。
9.如权利要求1所述的N×N硅基偏振无关光开关系统，其特征在于，所述的控制模块(105)由跨阻放大器(2001)、模数转换器芯片(2002)、单片机控制芯片(2003)、数模转换器芯片(2004)和驱动放大器(2005)组成，所述的跨阻放大器(2001)的输入端与偏振控制器(102)中的片上光功率探测器(1004)的输出端相连，所述的跨阻放大器(2001)的输出端与所述的模数转换器芯片(2002)的输入端相连，所述的模数转换器芯片(2002)的输出端与所述的单片机控制芯片(2003)的输入端相连，所述的单片机控制芯片(2003)的输出端与所述的数模转换器芯片(2004)的输入端相连，所述的数模转换器芯片(2004)的输出端与所述的驱动放大器(2005)的输入端相连，电信号通过所述的驱动放大器(2005)的输出端输出。
10.如权利要求9所述的N×N硅基偏振无关光开关系统，其特征在于，所述的跨阻放大器(2001)将输入光电流放大转化为电压值，所述的模数转换器芯片(2002)对该电压进行读取并将该电压反馈给所述的单片机控制芯片(2003)，该单片机控制芯片(2003)根据此反馈值做出反应，命令所述的数模转换器(2004)输出合适电压值，经过所述的驱动放大器(2005)后输出给所述的N路光偏振控制器(102)以及N×N光开关阵列(103)中的移相器，根据所述的跨阻放大器(2001)的放大倍数和模数转换器芯片(2002)的位数确定读取的光功率的大小范围，根据所述的数模转换器芯片(2004)的位数确定所加电压的精度，所述的单片机控制芯片(2003)的控制算法主要思想为搜索全局最小值，可以采用爬山算法、模拟退火算法或粒子群优化算法等搜索算法来实现。
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