CN114665967B - 基于波分复用的片上光电收发引擎 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于波分复用的片上光电收发引擎，包括：发射单元，用于将第一数字电信号转换为光信号，包括依次连接的第一串并转换器、微环控制驱动、微环调制器和发射波导，以及连接所述发射波导输入端的激光器，所述微环控制驱动为至少两个，所述微环调制器与所述微环控制驱动数量相同；接收单元，用于将所述光信号转换为第二数字电信号，包括依次连接的接收波导、微环滤波器、光电探测器、跨阻放大器和第二串并转换器，所述微环滤波器为至少两个，所述光电探测器和跨阻放大器均与所述微环滤波器数量相同。本发明通过串并行转换的方式将多路电信号转换为不同波长的光信号在同一波导中同时传输，有效提高了传输数据容量。

Description

基于波分复用的片上光电收发引擎

技术领域

本发明涉及微波光子学技术领域，具体涉及一种基于波分复用的片上光电收发引擎。

背景技术

随着互联网行业的日渐发展与神经网络的流行，日常通信系统中的数据流量，数据传输速率都在飞速增长。传统的冯诺依曼架构的数据形式日渐体现其不足，层层堆砌式的数据互连从效能、功耗、速率等方面都有明显的不足。逐渐发展的半导体工艺，使得单芯片工艺的计算能力稳步增长，互连网络中也出现了一系列新型的、高速的、柔性的互连方式——光互联。这种互连方式速率高、带宽大，必然会成为日后大规模互连网络的必经之路。传统的电数字计算处理芯片，采用光互连进行信号传递时，必然需要一个可以高速率、高效率、低能耗的光电转换与收发引擎。

传统光电收发引擎通常直接将光电信号进行转换，将数据在电上进行滤波，放大等处理。这种方法信号容量小、带宽小，单通道中传输速率不高。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于波分复用的片上光电收发引擎，以期至少部分地解决上述技术问题。

(二)技术方案

本发明提供一种基于波分复用的片上光电收发引擎，包括：

发射单元，用于将第一数字电信号转换为光信号，包括依次连接的第一串并转换器1、微环控制驱动2、微环调制器3和发射波导4，以及连接所述发射波导4输入端的激光器5，所述微环调制器3为至少两个，所述微环控制驱动2与所述微环调制器3数量相同；

接收单元，用于将所述光信号转换为第二数字电信号，包括依次连接的接收波导9、微环滤波器8、光电探测器7、跨阻放大器6和第二串并转换器10，所述微环滤波器8为至少两个，所述光电探测器7和跨阻放大器6均与所述微环滤波器8数量相同。

进一步地，所述激光器5与所述发射波导4耦合连接，所述激光器5是多波长激光器，用于发射多个波长的激光源，所述激光器5发射的波长数量与所述微环调制器3数量相同。

进一步地，所述第一串并转换器1用于将所述第一数字电信号按照时序转换为至少两路并行电信号，并分别输入到所述微环控制驱动2中；所述微环控制驱动2用于将所述并行电信号输出为高低电平，进而控制所述微环调制器3；至少两个所述微环调制器3各自工作于所述激光器5发射的不同波长位置。

进一步地，所述发射波导4与所述微环调制器3耦合相连，所述激光器5发射的不同波长光进入到所述发射波导4中，所述微环调制器3在所述微环控制驱动2的作用下发生微环谐振波长改变，分别对所述不同波长光进行调制，其中：当所述微环谐振波长与所述激光器5出射光的波长相同时，所述激光器5出射光被所述微环调制器3吸收而不通过所述发射波导4出射；当所述微环谐振波长偏离所述激光器5出射光的波长时，所述激光器5出射光不被所述微环调制器3吸收而通过所述发射波导4出射。

进一步地，所述微环调制器3为all-pass型微环调制器，所述微环滤波器8为add-drop型微环滤波器。

进一步地，所述all-pass型微环调制器包括all-pass型微环301、第一微环热调控制器302和第二微环热调控制器303，其中：所述all-pass型微环301和所述发射波导4通过耦合相连，所述第一微环热调控制器302和第二微环热调控制器303分别敷设于所述all-pass型微环301的第一部位和第二部位，所述第二部位位于所述all-pass型微环301和所述发射波导4的耦合端，所述第一部位位于所述all-pass型微环301上且不在所述耦合端的其他位置；所述第一微环热调控制器302和第二微环热调控制器303均通过外加电压产生热量，以调节所述all-pass型微环301的谐振峰位置以及消光比。

进一步地，所述add-drop型微环滤波器包括add-drop型微环801、第三微环热调控制器802和第四微环热调控制器803，其中：所述add-drop型微环801和所述接收波导9通过耦合连接，所述第三微环热调控制器802和第四微环热调控制器803分别敷设于所述add-drop型微环801的第一位置和第二位置，所述第二位置位于所述add-drop型微环801和所述接收波导9的耦合端，所述第一位置位于所述add-drop型微环801上且不在所述耦合端的其他位置；所述第三微环热调控制器802和第四微环热调控制器803均通过外加电压产生热量，以调节所述add-drop型微环801的谐振峰位置以及消光比。

进一步地，所述接收波导9接收所述发射单元出射的光信号，所述微环滤波器8用于将所述光信号中不同波长的光进行滤波分离，所述光电探测器7用于将所述微环滤波器8的出射激光的高低光强转变为电信号的高低电平。

进一步地，所述跨阻放大器6用于将所述光电探测器7出射的电信号进行放大，所述第二串并转换器10用于将至少两路所述跨阻放大器6出射的电信号进行合路，并按照时序转换为单路数字电信号，作为第二数字电信号。

进一步地，所述第一串并转换器1、微环控制驱动2、微环调制器3、发射波导4和激光器5均采用单片集成的方式制作；所述接收波导9、微环滤波器8、光电探测器7、跨阻放大器6和第二串并转换器10均采用单片集成的方式制作。

(三)有益效果

基于上述技术方案，本发明的基于波分复用的片上光电收发引擎相对于现有技术具有如下优点：

(1)本发明将光通信中的波分复用技术应用于其中，通过串并行转换的方式将多路电信号转换为多波长复用的光信号在同一波导中同时传输，使用微环调制器和微环滤波器分别进行复用调制与解复用，有效提高了传输数据容量。

(2)本发明采用了光电混合集成、光电协同运算的方式，对光信号、电信号共同处理，可以实现高效率的信号转换。采用微环调制发射与微环解复用接收的方式，对多波长复用的光进行处理，通过电信号对微环进行调控，有效地将电信号易于调控的优点与微环高Q值滤波的特点相结合，提高传输数据的质量，降低数据串扰。

(3)本发明采用单片集成的方式，将整个引擎制成模块化单片，可以和不同的光芯片采用直接耦合的方式连接，具有可替换性。

附图说明

图1是本发明实施例的基于波分复用的片上光电收发引擎的结构示意图；

图2是本发明实施例的发射单元中的微环调制器的结构示意图；

图3是本发明实施例的发射单元中的微环调制器的频率响应示意图；

图4是本发明实施例的接收单元中的微环滤波器的结构示意图；

图5是本发明实施例的接收单元中的微环滤波器的频率响应示意图。

【附图标记说明】

1、第一串并转换器；2、微环控制驱动；3、微环调制器；4、发射波导；5、激光器；6、跨阻放大器；7、光电探测器；8、微环滤波器；9、接收波导；10、第二串并转换器；301、all-pass型微环；302、第一微环热调控制器；303、第二微环热调控制器；801、add-drop型微环；802、第三微环热调控制器；803、第四微环热调控制器。

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，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

应该理解的是，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在实现本发明技术方案的过程中，申请人发现集成微波光子学应用多种光学器件进行光、电信号的处理，可以将光信号处理应用在光电收发引擎中，将信号在光上处理。同时，基于波分复用技术的光信号传输，应用了不同波长的光在波导中独立传播的特点，是一种极为有效地直接提高信号容量的方法。

有鉴于此，本发明提供了一种基于波分复用的片上光电收发引擎，采用了微环调制器与微环滤波器的方式对不同的波长进行调制和分离，采用了光电混合集成、协同计算的方式实现了光电信息交互，可以实现光电信号之间的高速率，高效率转换，并且实现电信号的光转换、光互连。

相较于传统的光电收发引擎，本发明提出的基于波分复用的片上光电收发引擎，实现了真正意义上的光电混合集成，光电协同运算。可以提供高速率、高效率、低能耗、大带宽的光电转换，具有显著的优势。

图1是本发明实施例的基于波分复用的片上光电收发引擎的结构示意图。

如图1所示，该基于波分复用的片上光电收发引擎可以包括：

发射单元，用于将第一数字电信号转换为光信号，包括依次连接的第一串并转换器1、微环控制驱动2、微环调制器3和发射波导4，以及连接发射波导4输入端的激光器5，其中，微环调制器3为至少两个，微环控制驱动2与微环调制器3的数量相同；

接收单元，用于将光信号转换为第二数字电信号，包括依次连接的接收波导9、微环滤波器8、光电探测器7、跨阻放大器6和第二串并转换器10，其中，微环滤波器8为至少两个，光电探测器7和跨阻放大器6均与微环滤波器8数量相同。

发射单元中，第一串并转换器1、微环控制驱动2和微环调制器3依次用电导线连接，微环调制器3用于对发射波导4中的光进行调制。

本发明实施例中，激光器5与发射波导4耦合连接，激光器5是多波长激光器，作为发射多个波长的激光源，发射单元中的激光器5发射的波长数量与微环调制器3数量相同。

可以理解的是，本发明的片上光电收发引擎的波分复用的波长数量可以改变，可调整为任意波长的收发引擎，只需调整发射单元与接受单元中对应的单路数量与多波长激光器的波长数即可。但是，随着波分复用的波长数量越多，在实际操作中将越难以调控。为使实际情况下易于调控，多波长激光器通常采用四波长激光源。

进一步地，发射单元中，第一串并转换器1用于将第一数字电信号按照时序转换为至少两路并行电信号，并分别进入到微环控制驱动2中；微环控制驱动2用于将并行电信号输出为高低电平，进而控制微环调制器3；至少两个微环调制器3各自工作于激光器5发射的不同波长位置。

具体来说，参照图1，发射单元中的第一串并转换器1可以将串行的电信号按照时序转换为至少两路并行电信号，分别进入到至少两个微环控制驱动2中；发射单元中的微环控制驱动2在数字信号的输入下，可以输出高低电平，用来控制后续的微环调制器3；发射单元中的至少两个微环调制器3分别工作在至少两个波长位置，分别位于多波长激光器所发射的至少两个波长位置。微环调制器3采用热控的方式，受微环控制驱动2调控。

进一步地，发射单元中，发射波导4与微环调制器3耦合相连，激光器5发射的不同波长光进入到发射波导4中，微环调制器3在微环控制驱动2的作用下发生微环谐振波长改变，分别对不同波长光进行调制，其中：

当微环谐振波长与激光器5出射光的波长相同时，激光器5出射光被微环调制器3吸收而不通过发射波导4出射；

当微环谐振波长偏离激光器5出射光的波长时，激光器5出射光不被微环调制器3吸收而通过发射波导4出射。

也就是说，参照图1，发射波导4承担信号输出的作用，发射波导4与微环调制器3耦合相连，激光器5的光进入到发射波导4中，由于发射波导4与至少两个微环调制器3相耦合，因此，至少两个工作在不同波长的微环，在微环控制驱动2的作用下，微环的温度发生改变，导致其谐振波长发生变化，分别对发射波导4内至少两个不同波长的光进行调制。当微环的谐振波长与激光器5出射光的波长相同时，这个波长的光将进入微环，而不会出射；当温度发生改变，微环谐振波长偏离激光器5出射光的波长时，此波长的光出射，因此可以对该波长的光进行时序数字调制。

本发明实施例中，接收波导9、微环滤波器8和光电探测器7依次通过光波导连接，光电探测器7、跨阻放大器6和第二串并转换器10依次通过电导线连接。

接收波导9接收发射单元出射的光信号，微环滤波器8用于将光信号中不同波长的光进行滤波分离，光电探测器7用于将微环滤波器8的出射激光的高低光强转变为电信号的高低电平。

可以理解的是，接收波导9接收到的光是其他部件中的发射单元所发出的光，因此该接收光也是波分复用的不同波长激光。

本发明实施例中，跨阻放大器6用于将光电探测器7出射的电信号进行放大，第二串并转换器10用于将至少两路跨阻放大器6出射的电信号进行合路，并按照时序转换为单路数字电信号。

本发明实施例中，第一串并转换器1、微环控制驱动2、微环调制器3、发射波导4和激光器5均采用单片集成的方式制作；接收波导9、微环滤波器8、光电探测器7、跨阻放大器6和第二串并转换器10均采用单片集成的方式制作。

优选地，微环调制器3可以为all-pass型微环调制器，微环滤波器8可以为add-drop型微环滤波器。

图2是本发明实施例的发射单元中的微环调制器的结构示意图。

如图2所示，图中左端入射箭头表示激光器5向发射波导4的入射光信号，图中右端出射箭头表示发射波导4的出射光信号。本发明实施例中，微环调制器3具体为all-pass型微环调制器，包括all-pass型微环301、第一微环热调控制器302和第二微环热调控制器303，其中：

all-pass型微环301和发射波导4通过耦合相连，第一微环热调控制器302和第二微环热调控制器303分别敷设于all-pass型微环301的第一部位和第二部位，第二部位位于all-pass型微环301和发射波导4的耦合端，第一部位位于all-pass型微环301上且不在该耦合端的其他位置；

第一微环热调控制器302和第二微环热调控制器303均通过外加电压产生热量，以调节all-pass型微环301的谐振峰位置以及消光比。

图3是本发明实施例的发射单元中的微环调制器的频率响应示意图。

如图3所示，图中横坐标表示波长，纵坐标表示出射与入射能量比，在波谷位置表示出现了谐振峰，该处波长的光全被吸收，而出射与入射能量比接近于1的位置表示该处波长的光可以由图2的右端箭头出射。由于图3中除了波谷位置以外的波长的光的出射能量比均接近于1，可以看出在微环调制器3的谐振峰位置对应的波长的光全被微环调制器3自身吸收，其余波长的光可由发射波导4透射。可以理解的是，该谐振峰也称为吸收峰。

本发明实施例中，该谐振峰的位置与消光比均可通过第一微环热调控制器302和第二微环热调控制器303进行调节。具体地，消光比是指图3中的波峰与波谷的深度差。

具体来说，结合图1、图2和图3，在发射单元中，第一数字电信号进入到第一串并转换器1后，根据时序转变为至少两路电信号，至少两路电信号分别进入到微环控制驱动2，使其达到高(例如信号数值为1)低(例如信号数值0)电平。由微环控制驱动2控制微环调制器3中的第一微环热调控制器302和第二微环热调控制器303，以调节all-pass型微环301的吸收峰位置。当all-pass型微环301的吸收峰与激光器5的出射波长位置重合时，此波长的光进入all-pass型微环301中，不出射；反之，当all-pass型微环301的吸收峰不位于激光器5的出射波长位置时，此波长的光出射，因此可以对光信号进行数字调制。

图4是本发明实施例的接收单元中的微环滤波器的结构示意图。

如图4所示，图中左下端入射箭头表示发射单元向接收波导9传输的入射光信号，图中左上端出射箭头表示接收波导9的出射光信号。本发明实施例中，微环滤波器8具体为add-drop型微环滤波器，包括add-drop型微环801、第三微环热调控制器802和第四微环热调控制器803，其中：

add-drop型微环801和接收波导9通过耦合连接，第三微环热调控制器802和第四微环热调控制器803分别敷设于add-drop型微环801的第一位置和第二位置，第二位置位于add-drop型微环801和接收波导9的耦合端，第一位置位于add-drop型微环801上且不在耦合端的其他位置；

第三微环热调控制器802和第四微环热调控制器803均通过外加电压产生热量，以调节add-drop型微环801的谐振峰位置以及消光比。

需要说明的是，由于add-drop型微环801与接收波导9具有两个耦合端，图4中的第四微环热调控制器803具有两处位置，分别位于下部耦合端和上部耦合端。

图5是本发明实施例的接收单元中的微环滤波器的频率响应示意图。

如图5所示，横坐标表示波长，纵坐标表示出射与入射能量比，在波峰位置表示出现了谐振峰，该谐振峰处波长的光可以透射，而出射能量比接近于0的位置表示该处波长的光全被滤除。由于图5中除了波峰位置以外的波长的光的出射能量比均接近于0，可以看出在微环滤波器8的谐振峰处对应的波长的光可从微环滤波器8透射出去，而其余波长的光全被微环滤波器8所滤除。

具体来说，结合图1、图4和图5，在接收单元中接收到的多波长复用的光信号，在接收波导9中分别被至少两个位于不同波长位置的微环滤波器8所滤出。当add-drop型微环滤波器之中的微环谐振峰和激光波长重合时透射出去，否则被add-drop型微环滤波器所滤除，从而使微环滤波器8依次达到滤出某一特定波长的光的功能。

本发明实施例中，该谐振峰的位置与消光比均可通过第一微环热调控制器302和第二微环热调控制器303进行调节。

继续参阅图1，对本发明提供的基于波分复用的片上光电收发引擎的工作过程作进一步详细说明：

在发射单元中，第一数字电信号首先进入到第一串并转换器，按照时序转换为至少两路并行电信号，然后分别进入到至少两个微环控制驱动2中，由微环控制驱动2控制微环调制器3中的第一微环热调控制器302和303，激光器5中出射具有与微环调制器3数量相同的不同波长激光，微环调制器3分别对该不同波长激光进行调制，使不同波长激光在微环控制驱动2的控制下，发生谐振峰改变，产生具有不同波长的数字调制的光信号由发射波导4输出；

在接收单元中，接收波导9接收到该数字调制的光信号，在至少两个不同的微环滤波器8中，微调其中的第二微环热调控制器802和803，使其将对应的波长滤出，进行解复用；解复用后的光进入到光电探测器7中，转变为对应数字调制的电信号，在跨阻放大器6中进行放大，通过第二串并转换器10转换为一路数字调制的电信号，也即第二数字电信号。

至此，基于波分复用的片上光电收发引擎之中，完整的光电信号转换与发射接收过程均已完成。

综上所述，本发明实施例提供一种基于波分复用的片上光电收发引擎，将光通信中的波分复用技术应用于其中，通过串并行转换的方式将多路电信号转换为不同波长的光信号在同一波导中同时传输，在发射端通过微环调制器对不同波长的光进行数字调制，在接收端也通过微环滤波器进行解复用，有效提高了传输数据容量，并且提高传输数据的质量，降低数据串扰。

应该注意的是，本发明中使用的“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分不同对象，而不意味着这些对象之间具有任何特定顺序关系。在本发明中，术语“包括”和“含有”及其派生词意为包括而非限制；术语“或”是包含性的，意为和/或。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于波分复用的片上光电收发引擎，其特征在于，包括：

发射单元，用于将第一数字电信号转换为光信号，包括依次连接的第一串并转换器(1)、微环控制驱动(2)、微环调制器(3)和发射波导(4)，以及连接所述发射波导(4)输入端的激光器(5)，所述微环调制器(3)为至少两个，所述微环控制驱动(2)与所述微环调制器(3)数量相同；

接收单元，用于将所述光信号转换为第二数字电信号，包括依次连接的接收波导(9)、微环滤波器(8)、光电探测器(7)、跨阻放大器(6)和第二串并转换器(10)，所述微环滤波器(8)为至少两个，所述光电探测器(7)和跨阻放大器(6)均与所述微环滤波器(8)数量相同；

所述激光器(5)与所述发射波导(4)耦合连接，所述激光器(5)是多波长激光器，用于发射多个波长的激光源，所述激光器(5)发射的波长数量与所述微环调制器(3)数量相同；

微环调制器3采用热控的方式，受微环控制驱动2调控；

所述接收波导(9)接收所述发射单元出射的光信号，所述微环滤波器(8)用于将所述光信号中不同波长的光进行滤波分离，所述光电探测器(7)用于将所述微环滤波器(8)的出射激光的高低光强转变为电信号的高低电平。

2.根据权利要求1所述的片上光电收发引擎，其特征在于，所述第一串并转换器(1)用于将所述第一数字电信号按照时序转换为至少两路并行电信号，并分别输入到所述微环控制驱动(2)中；

所述微环控制驱动(2)用于将所述并行电信号输出为高低电平，进而控制所述微环调制器(3)；

至少两个所述微环调制器(3)各自工作于所述激光器(5)发射的不同波长位置。

3.根据权利要求2所述的片上光电收发引擎，其特征在于，所述发射波导(4)与所述微环调制器(3)耦合相连，所述激光器(5)发射的不同波长光进入到所述发射波导(4)中，所述微环调制器(3)在所述微环控制驱动(2)的作用下发生微环谐振波长改变，分别对所述不同波长光进行调制，其中：

当所述微环谐振波长与所述激光器(5)出射光的波长相同时，所述激光器(5)出射光被所述微环调制器(3)吸收而不通过所述发射波导(4)出射；

当所述微环谐振波长偏离所述激光器(5)出射光的波长时，所述激光器(5)出射光不被所述微环调制器(3)吸收而通过所述发射波导(4)出射。

4.根据权利要求1所述的片上光电收发引擎，其特征在于，所述微环调制器(3)为all-pass型微环调制器，所述微环滤波器(8)为add-drop型微环滤波器。

5.根据权利要求4所述的片上光电收发引擎，其特征在于，所述all-pass型微环调制器包括all-pass型微环(301)、第一微环热调控制器(302)和第二微环热调控制器(303)，其中：

所述all-pass型微环(301)和所述发射波导(4)通过耦合相连，所述第一微环热调控制器(302)和第二微环热调控制器(303)分别敷设于所述all-pass型微环(301)的第一部位和第二部位，所述第二部位位于所述all-pass型微环(301)和所述发射波导(4)的耦合端，所述第一部位位于所述all-pass型微环(301)上且不在所述耦合端的其他位置；

所述第一微环热调控制器(302)和第二微环热调控制器(303)均通过外加电压产生热量，以调节所述all-pass型微环(301)的谐振峰位置以及消光比。

6.根据权利要求4所述的片上光电收发引擎，其特征在于，所述add-drop型微环滤波器包括add-drop型微环(801)、第三微环热调控制器(802)和第四微环热调控制器(803)，其中：

所述add-drop型微环(801)和所述接收波导(9)通过耦合连接，所述第三微环热调控制器(802)和第四微环热调控制器(803)分别敷设于所述add-drop型微环(801)的第一位置和第二位置，所述第二位置位于所述add-drop型微环(801)和所述接收波导(9)的耦合端，所述第一位置位于所述add-drop型微环(801)上且不在所述耦合端的其他位置；

所述第三微环热调控制器(802)和第四微环热调控制器(803)均通过外加电压产生热量，以调节所述add-drop型微环(801)的谐振峰位置以及消光比。

7.根据权利要求1所述的片上光电收发引擎，其特征在于，所述跨阻放大器(6)用于将所述光电探测器(7)出射的电信号进行放大，所述第二串并转换器(10)用于将至少两路所述跨阻放大器(6)出射的电信号进行合路，并按照时序转换为单路数字电信号，作为第二数字电信号。

8.根据权利要求1所述的片上光电收发引擎，其特征在于，所述第一串并转换器(1)、微环控制驱动(2)、微环调制器(3)、发射波导(4)和激光器(5)均采用单片集成的方式制作；

所述接收波导(9)、微环滤波器(8)、光电探测器(7)、跨阻放大器(6)和第二串并转换器(10)均采用单片集成的方式制作。