CN113391446B - 一种可编程光子集成回路的合成设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可编程光子集成回路的合成设计方法。该结构是由多个可调谐基本单元TBU在空间上拓展而构成的光子集成波导网格结构。选择可调谐基本单元的上、下臂相移，可分别实现直通、交叉状态的光开关，以及可调谐耦合器这三种不同的工作状态，从而整个网格结构可灵活实现多种不同的光学信号处理功能。对光子集成波导网格建立数字域模型，得到其传输函数表达式，然后在利用相关数字滤波器设计方法设计目标滤波谱，并对其传输函数表达式分解的基础上，直接确定光子集成波导网格中各TBU的工作状态和具体相移参数。本发明方法借助成熟的数字信号处理相关设计算法和工具箱来进行，方法简便，尤其是对网格单元数目较多的大型复杂网格结构设计更显其优越性。

Description

一种可编程光子集成回路的合成设计方法

技术领域

本发明涉及一种可编程光子集成回路的合成设计方法，以实现多种不同的光学信号处理功能。

背景技术

可编程光子集成回路类似于电子学领域中应用广泛的现场可编程门阵列(FPGA)，可灵活实现众多不同的光信号处理功能，从而大大减少设计、制造不同光子芯片所需的时间和成本，已在通信、人工神经网络和量子信息中获得成功应用。可编程光子集成回路由上、下臂具有相移可调功能的马赫-曾德尔干涉仪为可调谐基本单元，多个该可调谐基本单元以一定方式在空间上拓展而构成的光子集成波导网格结构。通过选择合适的每个可调谐基本单元的上、下臂相移，可分别实现直通、交叉状态的光开关，以及可调谐耦合器，这三种不同的工作状态，从而可灵活实现多种不同的光学信号处理功能。按照所需功能实现可编程光子集成回路的结构配置(合成设计)是该技术的关键所在。

以光学滤波功能的实现为例，目前可编程光子集成回路设计普遍采用基于传统两端口光学延迟线回路的设计方法。在先技术(参见J.Lightw.Technol.Jinguji,K.1995,13:73–82)和在先技术(参见J.Lightw.Technol.Jinguji,K.1996,14:1882–1898)分别对传统的两端口光学延迟线回路提出了实现有限脉冲响应滤波器和无限脉冲响应滤波器的合成方法。在先技术(参见JohnWiley&Sons Inc.,Madsen,C.K.andZhao,J.H.1999)对有限和无限脉冲响应这两类滤波器的合成设计进行了系统描述。对可编程光子集成回路结构的滤波功能实现，在先技术(参见Nat.Commun.DanielPérez,IvanaGasullaet.al.2017,8:636)指出可编程光子集成回路的设计可通过采用在先技术中传统两端口光学延迟线回路的设计方法得到该结构的设计参数，然后再转化到可编程光子集成回路的结构参数来进行。该方法对可编程光子集成回路提出了一种结构设计的解决方案，但其只能针对某一种功能来进行合成设计，难以实现具有不同滤波功能的可编程光子集成回路的灵活设计。随着可编程光子集成回路的规模和结构的不断发展，简单、高效地灵活设计可编程光子集成回路实现多种不同功能变得尤为重要，急需发展新的合成设计方法。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种直接、简单的可编程光子集成回路的合成设计方法，可以灵活实现不同的光学滤波功能。

为达到上述目的，本发明的构思是：

基于数字信号处理思想，直接以可编程光子集成回路为对象，利用z变换，建立其数字域模型。在数字域设计一个满足目标滤波器性能指标的数字滤波器，通过使该数字滤波器传输函数的表达式与可编程光子集成回路的数字域传输函数表达式相等，从而确定光子集成波导网格中各可调谐基本单元的工作状态及其上、下臂的相移。

根据上述的发明构思，本发明的具体技术解决方案如下：

一种可编程光子集成回路的合成设计方法，步骤如下：

(1)基于z变换，建立可编程光子集成回路的数字域模型，计算其传输函数的表达式；

(2)按照所要实现的光学滤波功能及性能指标，利用数字信号处理中相关数字滤波器的方法设计一个数字滤波器，得到其数字域中传输函数的表达式；

(3)对在所述步骤(2)中得到的数字域中传输函数的表达式进行因式分解，得到以两个全通函数的和或差形式的变形表示式，作为另一传输函数表达式；

(4)比较在所述步骤(1)中和在所述步骤(3)中得到的传输函数表达式，通过使两个表达式形式相同，确定光子集成回路中各可调谐基本单元的工作状态，即网格的具体结构构型；

(5)由在所述步骤(1)中和在所述步骤(3)中的传输函数表达式系数相等，得到各可调谐基本单元上、下臂的具体相移；

(6)在网格结构中各可调谐基本单元的基本单位长度BUL由所要实现的光学滤波谱的周期FSR确定；具体表示为

其中，C为光速，n_g为波导的有效折射率，N为不同拓扑结构网格中构成环形谐振腔的单个可调谐基本单元TBU个数，对三角形网格、方形网格和六边形网格结构，N分别为3、4和6。

本发明可编程光子集成回路的合成设计方法，基于z变换，建立可编程光子集成回路的数字域模型，得到其传输函数表达式，然后在利用相关数字滤波器设计方法设计目标滤波谱，并对其传输函数表达式分解的基础上，即可直接确定光子集成波导网格中各可调谐基本单元的工作状态和具体结构参数。

优选地，在所述步骤(3)中，对于奇数阶的数字滤波器，利用极点交错性质得到数字域中传输函数的分解变形表示式。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明方法直接以可编程光子集成回路为对象，不需要先设计两端口光学延迟线回路结构，得到其结构参数，然后再进行结构参数转化最终求解可编程光子集成回路的结构参数，因而具有设计直接、方法简单的突出优点，且可以灵活实现不同的光学滤波功能；

2.本发明方法基于数字信号处理思想，可借助成熟的数字滤波器相关设计方法和工具箱来进行，因而对于网格单元数目较多的大型复杂网格结构，该方法则更显其优越性；

3.本发明方法简单易行，成本低，适合推广使用。

附图说明

图1为多单元的方形网格结构和工作原理示意图。其中图1(a)为9个单元的方形网格结构示意图。图1(b)为图1(a)中的单个可调谐基本单元(TBU)结构，其由输入和输出均为3dB的耦合器，且上、下臂具有可调谐相移

和

的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构构成，BUL是TBU的基本单位长度。图1(c)为三种不同工作状态下TBU内部的光信号传输。

图2为单级谐振腔、垂直耦合的多级谐振腔、级联的多级谐振腔及MZI组件对应的方形网格结构示意图。其中图2(a)、图2(b)、图2(c)和图2(d)分别为单级谐振腔、垂直耦合的多级谐振腔、级联的多级谐振腔及MZI对应的方形网格结构示意图。其中TC表示可调谐耦合器；BS表示直通状态的光开关；CS表示交叉状态的光开关，NU表示未使用状态。

图3为对于图2的网格结构的数字域模型。其中，图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(d)分别为图2(a)、图2(b)、图2(c)和图2(d)所示网格结构的数字域模型。

图4为由上、下臂分别具有单级或多级环形谐振腔的MZI结构而构成的网格结构实现滤波功能的通用网格结构的数字域模型。其中H_up(z)和H_low(z)分别为位于MZI上臂和下臂的环形谐振腔的传输函数，

为MZI两干涉臂长差引起的相移。θ₁、Δ₁和θ₂,、Δ₂分别是输入和输出端口处的耦合器参数。

图5为本发明优选实施例中可编程光子集成回路实现占空比1:2方波的具体网格结构图。

其中TC表示可调谐耦合器；BS表示直通状态的光开关；CS表示交叉状态的光开关，NU表示未使用状态。

图6为本发明优选实施例中可编程光子集成回路实现占空比1:2方波的两输出端口的传输谱图。

图7为本发明优选实施例中可编程光子集成回路实现占空比1:3、1:4、1:5方波的其中一个端口的输出谱图。

图8为本发明优选实施例中可编程光子集成回路实现占空比1:3、1:4、1:5方波的具体网格结构示意图。其中TC表示可调谐耦合器；BS表示直通状态的光开关；CS表示交叉状态的光开关，NU表示未使用状态。

具体实施方式

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1-4，一种可编程光子集成回路的合成设计方法，步骤如下：

(1)基于z变换，建立可编程光子集成回路的数字域模型，计算其传输函数的表达式；

(2)按照所要实现的光学滤波功能及性能指标，利用数字信号处理中相关数字滤波器的方法设计一个数字滤波器，得到其数字域中传输函数的表达式；

(3)对在所述步骤(2)中得到的数字域中传输函数的表达式进行因式分解，得到以两个全通函数的和或差形式的变形表示式，作为另一传输函数表达式；对于奇数阶的数字滤波器，利用极点交错性质可非常简便地得到该传输函数的分解变形表示式；

(4)比较在所述步骤(1)中和在所述步骤(3)中得到的传输函数表达式，通过使两个表达式形式相同，确定光子集成回路中各可调谐基本单元的工作状态，即网格的具体结构构型；

(5)由在所述步骤(1)中和在所述步骤(3)中的传输函数表达式系数相等，得到各可调谐基本单元上、下臂的具体相移；

(6)在网格结构中各可调谐基本单元的基本单位长度BUL由所要实现的光学滤波谱的周期FSR确定；具体表示为

其中，C为光速，n_g为波导的有效折射率，N为不同拓扑结构网格中构成环形谐振腔的单个可调谐基本单元TBU个数，对三角形网格、方形网格和六边形网格结构，N分别为3、4和6。

本实施例可编程光子集成回路的合成设计方法，基于z变换，建立可编程光子集成回路的数字域模型，得到其传输函数表达式，然后在利用相关数字滤波器设计方法设计目标滤波谱，并对其传输函数表达式分解的基础上，即可直接确定光子集成波导网格中各可调谐基本单元的工作状态和具体结构参数。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

一、可编程光子集成回路的数字信号模型及传输函数表达式：

可编程光子集成回路是由可调谐基本单元(TBU)以一定方式在空间上拓展而构成的光子集成波导网格结构。按照拓展方式，目前主要有三角形网格、方形网格和六边形网格结构。图1(a)为9个单元的方形网格结构示意图。其中的TBU结构如图1(b)所示，其由输入和输出均为3dB的耦合器，且上、下臂具有可调谐相移的MZI结构构成，BUL是TBU的基本单位长度。通过外部电信号的控制，可实现对MZI上、下臂相移的灵活调控。一个理想的TBU，其传输矩阵可表示为：

其中

和

分别为上、下臂的相移。多个TBU在网格结构中可组成具有反馈特性的谐振腔、MZI等光学基本组件结构。图2为单级谐振腔、垂直耦合的多级谐振腔、级联的多级谐振腔及MZI组件对应的方形网格结构示意图。按照公式(1)所示的单个TBU的传输特性，建立图2所示各光学基本组件结构的数字域模型，分别如图3所示。其中

n_e为波导的有效折射率，λ是入射光波长，N是构成环形谐振腔的TBU个数，对三角形网格、方形网格和六边形网格结构来说，N分别为3、4和6。N×BUL称为环形谐振腔的基本单位环长。

为MZI两干涉臂长差引起的相移，ΔL为臂长差。由图3(a)所示的数字信号模型可以得到单级环形谐振腔的传输函数：

其中ρ_r ^*为ρ_r的共轭。由图3(b)所示的数字信号模型，可计算垂直耦合的多级谐振腔的传输函数：

对级联的多级谐振腔结构，其传输函数可表示为：

由图3(d)可计算MZI结构的传输函数为：

其中，θ₁、Δ₁和θ₂,、Δ₂分别是输入和输出端口处的耦合器参数。

通过将上述不同的光学基本组件相结合，整个网格结构可实现不同的光学信号处理功能。其中，最通用的是由上、下臂分别具有单级或多级环形谐振腔的MZI结构而构成的网格结构。其数字信号模型可表示如图4所示。由图4，可计算该网格结构的传输函数为：

其中H_up(z)和H_low(z)分别为位于MZI上臂和下臂的环形谐振腔的传输函数，根据环形谐振腔的具体构成，可由公式(3)或(4)来计算。

二、目标滤波谱的传输函数表达式

选取数字信号处理中相关滤波器的设计方法，设计一个满足目标滤波器性能指标的数字滤波器。对方波形状的滤波谱，通常选用椭圆滤波器设计方法进行设计。在此基础上得到其传输函数的表达式：

其中P(z)和D(z)是关于z的多项式，系数都是实数，且P(z)的系数是偶对称的。式(9)可分解为两个全通函数H₁(z)和H₂(z)的和或差的形式：

当滤波器的阶数为奇数时，β＝0。如果P(z)的阶数是奇数，H₁(z)和H₂(z)的阶数分别为r和N-r，并且系数都为实数；而当P(z)的阶数为偶数时，H₁(z)和H₂(z)的阶数都是N/2，并且其系数互为共轭。

对于奇数阶滤波器，利用两个全通函数的极点交错性质可以简便地对其传输函数进行分解。分解后的两个全通函数表示为:

其中，ε₀,ε₁,ε₂,....,ε_N-1为零极点图中以幅角增加方式标记的H(z)的各极点。

本实施例提供一种直接、简单的可编程光子集成回路的设计方法，可以灵活实现不同的光学滤波功能。在数字域设计一个满足目标滤波器性能指标的数字滤波器，通过使该数字滤波器传输函数的表达式与可编程光子集成回路的数字域传输函数表达式相等，从而确定光子集成波导网格中各可调谐基本单元的工作状态及其上、下臂的相移。

实施例三：

本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：

可编程光子集成回路的一个优选实施例结合附图详述如下：这里以光谱周期100GHz，占空比1:2、隔离度<-30dB的5阶方波谱的滤波功能设计具体来说明。采用方形网格结构来实现。

第一步：按TBU的传输特性，建立如图4所示的可编程光子集成回路结构的数字信号模型。计算得到可编程光子集成回路的传输函数如式(7)和(8)所示。

第二步：按目标滤波器的性能指标，选择椭圆滤波器设计方法进行设计，可得到传输函数的表达式为：

第三步：利用极点交错性质，将上述传输函数因式分解为:

第四步：对比式(14)和网格数字域模型的传输函数(7)(或(8))，可判断网格结构由上、下臂各具有单级谐振腔的MZI结构构成，且谐振腔环长为两倍基本单位环长，以及上、下臂存在基本单位环长大小的臂长差。

第五步：令式(14)中的两个分式分别与式(2)相等，可得到两个谐振腔的结构参数及其它各TBU的结构参数。

第六步：选取典型的绝缘硅波导材料，折射率n_g＝4.18，由BUL＝C/(n_g×N×FSR)可计算，TBU的基本单位长度约为180μm。

最终完整的方形网格结构的各相移参数如表1所示。整个网格的光学结构如图5所示。图6为该网格两输出端口的传输谱。

表1.本发明实施例三中可编程光子集成回路实现占空比1:2方波的具体网格相移参数对比表

按照该方式，也可以设计可编程光子集成回路实现其他光谱特性要求的滤波功能。光谱周期100GHz，隔离度<-30dB，占空比分别为1:3、1:4、1:5的5阶方波谱设计结果如图7所示。整个网格的光学结构如图8所示。完整的方形网格结构的各相移参数如表2所示。

表2.本发明实施例三中可编程光子集成回路实现占空比1:3、1:4、1:5方波的具体网格相移参数对比表

通过上述具体实施例的设计可知，选择合适的各TBU工作状态和具体结构参数，对可编程光子集成回路进行灵活设计，可实现多种不同的滤波功能，滤波特性满足具体设计要求。

本实施例虽然是针对方形网格进行设计的，但本发明方法同样适用于三角形网格、和六边形网格结构。

综上所述，上述实施例可编程光子集成回路的合成设计方法采用的集成回路结构是由上、下臂具有相移可调功能的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)为可调谐基本单元(TBU)，多个该可调谐基本单元以一定方式在空间上拓展而构成的光子集成波导网格结构。选择可调谐基本单元的上、下臂相移，可分别实现直通、交叉状态的光开关，以及可调谐耦合器这三种不同的工作状态，从而整个网格结构可灵活实现多种不同的光学信号处理功能。对光子集成波导网格建立数字域模型，得到其传输函数表达式，然后在利用相关数字滤波器设计方法设计目标滤波谱，并对其传输函数表达式分解的基础上，即可直接确定光子集成波导网格中各TBU的工作状态和具体相移参数。上述实施例方法以可编程光子集成回路结构为对象直接进行设计，且基于数字信号处理(DSP)思想，借助成熟的数字信号处理相关设计算法和工具箱来进行，因而方法简便，尤其是对网格单元数目较多的大型复杂网格结构，上述实施例方法则更显其优越性。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种可编程光子集成回路的合成设计方法，其特征在于：步骤如下：

(1)基于z变换，建立可编程光子集成回路的数字域模型，计算其传输函数的表达式；

(2)按照所要实现的光学滤波功能及性能指标，利用数字信号处理中相关数字滤波器的方法设计一个数字滤波器，得到其数字域中传输函数的表达式；

(3)对在所述步骤(2)中得到的数字域中传输函数的表达式进行因式分解，得到以两个全通函数的和或差形式的变形表示式，作为另一传输函数表达式；

(4)比较在所述步骤(1)中和在所述步骤(3)中得到的传输函数表达式，通过使两个表达式形式相同，确定光子集成回路中各可调谐基本单元的工作状态，即网格的具体结构构型；

(5)由在所述步骤(1)中和在所述步骤(3)中的传输函数表达式系数相等，得到各可调谐基本单元上、下臂的具体相移；

(6)在网格结构中各可调谐基本单元的基本单位长度BUL由所要实现的光学滤波谱的周期FSR确定；具体表示为

其中，C为光速，n_g为波导的有效折射率，N为不同拓扑结构网格中构成环形谐振腔的单个可调谐基本单元TBU个数，对三角形网格、方形网格和六边形网格结构，N分别为3、4和6。

2.根据权利要求1所述可编程光子集成回路的合成设计方法，其特征在于：在所述步骤(3)中，对于奇数阶的数字滤波器，利用极点交错性质得到数字域中传输函数的分解变形表示式。

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