CN117728895A - 一种低功耗驱动的400g dr4硅光子板集成光模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光模块技术领域，更进一步地，涉及一种低功耗驱动的400G DR4硅光子板集成光模块。它包括：四个独立的光发射器、四个独立的光接收器、光调制器、光耦合器、驱动电路、控制电路和光学组件；光调制器用以调制电信号以控制光信号的强度和相位；光耦合器用以将所有的光信号进行合并或者分割，以使得光信号可以共享相同的光纤或被分配给不同的光接收器通道和光发射器通道；驱动电路用以为光调制器提供电压信号，以实现电光调制；控制电路用以实时获取运行过程中的运行参数，进行热传导优化和光路优化。本发明实现了高速传输能力的提升、低功耗设计、非线性效应管理、波长管理和光路优化。

Description

一种低功耗驱动的400G DR4硅光子板集成光模块

技术领域

本发明属于光模块技术领域，具体涉及一种低功耗驱动的400G DR4硅光子板集成光模块。

背景技术

随着数字信息的爆炸性增长和高速通信需求的不断增加，光通信技术已经成为满足这些需求的重要途径之一。在现代通信系统中，高速光通信模块扮演了至关重要的角色，这些模块能够实现光信号的高速传输和处理。然而，随着通信速率的不断提高和通信设备的不断集成，对光通信模块的性能和功耗要求也在不断增加。

在目前的光通信领域，已经存在了一些技术问题和挑战，这些问题需要解决以满足日益增长的通信需求。随着大数据、云计算和高清视频等应用的普及，对通信系统的传输速率提出了更高的要求。传统的100G和200G光通信模块已经无法满足这些需求，因此需要更高速的通信模块。随着通信速率的增加，光通信模块的功耗也在不断增加。高功耗不仅会导致能源浪费，还会引发散热问题，限制了光通信模块的密集集成和长时间稳定运行。在高速光通信中，非线性效应如相位失真和信号失真变得更加明显。这些效应会影响信号质量和通信性能，需要有效的调制和校正方法。多波长光通信系统需要有效的波长管理和分配方法，以充分利用光谱资源并减少波长间的干扰。高速光通信模块在工作时产生大量热量，需要高效的散热和温度管理技术，以确保模块的长期稳定性。

为了应对上述问题，已经提出了一些现有技术解决方案。然而，这些解决方案仍然存在一些局限性，需要进一步改进。以下是一些主要的现有技术解决方案：为了提高传输速率，已经开发了400G和800G光通信模块。这些模块采用了高速光发射器和光接收器，但其功耗问题仍然需要解决。非线性光调制器技术被广泛应用于高速光通信系统中，以实现光信号的调制和解调。然而，对非线性效应的管理仍然是一个挑战。波分复用（WDM）技术已经用于多波长光通信系统中，以提高光谱利用率。但是，波长管理和光信号之间的干扰问题需要进一步研究。高功耗的光通信模块需要高效的散热和温度管理技术，以确保稳定性和长期可靠性。但目前的热传导解决方案仍然存在一定的局限性。光路优化方法已经用于提高光信号的质量和传输效率。然而，对于多波长系统，波长管理和光路优化之间的相互关系需要更深入的研究。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种低功耗驱动的400G DR4硅光子板集成光模块，通过优化电路设计、非线性效应管理、波长管理和热传导优化等多项创新技术，实现了高速传输能力的提升、低功耗设计、非线性效应管理、波长管理和光路优化，以及实时控制电路的应用，显著提高了高速光通信系统的性能、降低了功耗、提高了通信质量、优化了波长资源利用和提高了热稳定性，为未来通信系统提供了更高效、可靠和灵活的解决方案。

为了解决上述问题，本发明的技术方案是这样实现的：

一种低功耗驱动的400G DR4硅光子板集成光模块，它包括：四个独立的光发射器、四个独立的光接收器、光调制器、光耦合器、驱动电路、控制电路和光学组件；四个独立的光发射器包括四个独立的光发射器通道，每个光发射器通道负责一个光信号；四个独立的光接收器包括四个独立的光接收器通道，每个光接收器通道负责一个光信号；光调制器用以调制电信号以控制光信号的强度和相位，在运行过程中，光调制器将按照设定的优化目标函数对电极参数进行调整，以确保电极参数既能够满足功耗要求又能够实现电阻均衡，同时，设定非线性调制目标，求解电光调制方程，以按照设定的非线性调制目标运行；光耦合器用以将所有的光信号进行合并或者分割，以使得光信号可以共享相同的光纤或被分配给不同的光接收器通道和光发射器通道，在合并或者分割光信号时，进行噪声分析，计算非平稳噪声功率谱密度，再进行自适应功率调整，以保证输出功率在设定的阈值之下；驱动电路用以为光调制器提供电压信号，以实现电光调制，在提供电压信号时，基于电压信号进行非线性波导处理，以保证通过电光调制，生成的光信号的传输速率超过400Gbps；控制电路用以实时获取运行过程中的运行参数，进行热传导优化和光路优化。

进一步的，运行参数包括：温度场、温度场变化率、热导率、热源项功率、散热项功率、光场复振幅、线性系数和非线性系数。

进一步的，优化目标函数使用如下公式记性表示：

；

其中，是优化目标值，通过最小化优化目标值，找到对应的电极参数，基于电极参数进行调整，以确保电极参数既能够满足功耗要求又能够实现电阻均衡；/>是电极的数量，表示有多少个电极需要被优化；每个电极用不同的电阻来调制光信号；/>是每个电极的当前功耗，表示每个电极实际消耗的电能；/>是目标功耗，表示希望每个电极达到的功耗水平；/>是每个电极的权重，用于调整每个电极在目标函数中的影响程度；/>是正则化参数，用于平衡功耗优化和电阻均衡；正则化参数控制着目标函数中功耗项和电阻均衡项之间的权衡。较大的/>值会更强调电阻均衡，而较小的值会更强调功耗优化；/>是每个电极的电阻值，表示电极的电阻大小；/>是电阻的最大允许值，用于限制电极电阻的上限；通过调整电阻值/>，可以改变每个电极的电阻，以满足目标功耗/>和电阻均衡的要求。

进一步的，设定非线性调制目标为光场复振幅的最小值大于设定的下限值，再求解电光调制方程，以按照设定的非线性调制目标运行；所述电光调制方程使用如下公式进行表示：

；

其中，是光场复振幅，它代表了光波的电场分布随时间和空间的变化，在电光调制中，光场复振幅会根据电信号的变化而变化，从而实现光信号的调制；/>是约化普朗克常数；/>是群速度色散参数，它描述了光信号在光纤或波导中传播时，不同频率成分的传播速度差异；/>是线性损耗系数，它表示光信号在传播中的能量损失率；/>是非线性系数，描述了光波的非线性响应；/>为虚数符号；/>为时间；/>为传播距离。

进一步的，光耦合器使用如下公式，计算非平稳噪声功率谱密度：

；

其中，是非平稳噪声功率谱密度，它表示随时间/>和频率/>变化的噪声强度，描述了信号在频域上的能量分布；/>是玻尔兹曼常数；/>是光模块的温度，以开尔文为单位；/>是光模块的电阻；/>是频率；/>是时间；/>是信噪比。

进一步的，光耦合器使用如下公式，进行自适应功率调整：

；

；其中，/>为总时间；/>为设定的阈值；/>是在时间/>时刻的输出功率；/>是通道的数量，表示光模块中的多个通道或通信通道的数量，每个通道可以传输不同的数据；/>是光模块的最小输出功率；/>是光模块的最大输出功率；是在时间/>时刻的通道/>的数据需求量；/>是光模块的最大通信数据速率。

进一步的，驱动电路在提供电压信号时，通过如下公式，基于电压信号进行非线性波导处理：

；

其中，是光场复振幅/>关于传播距离/>的偏导数，表示光波在空间中的传播变化；/>表示群速度色散的影响，/>是群速度色散参数，它描述了不同频率分量的光波在传播中的相速度差异，/>表示光波关于时间的二阶导数，用来描述光波的频率变化；/>表示高阶色散的影响，其中/>是高阶色散参数；/>表示光波关于时间的三阶导数，用来描述更高阶的频率变化；/>是非线性效应的项，其中/>是非线性系数，表示光波的非线性响应；/>表示光场复振幅的平方，即光强度，描述了光强度对光波相位和幅度的非线性影响；基于传输速率/>的约束条件：/>；以计算得到光场复振幅/>，以此完成非线性波导处理。

进一步的，控制电路实时获取运行过程中的运行参数，通过如下公式，进行热传导优化：

；

其中，为温度场；/>为温度场变化率；/>为热导率；/>为拉普拉斯算子；/>为热源项功率；/>为散热项功率；/>为光模块的比热容；通过设定温度场变化率/>，以调整散热项功率/>，实现热传导优化。

进一步的，控制电路实时获取运行过程中的运行参数，通过如下公式，进行光路优化：

；

其中，为第/>个光路的光场复振幅；/>为第/>个光路的波长下限值；/>为线性系数；/>为第/>个光路的光场复振幅；/>为第/>个光路的波长下限值；通过求解得到/>和/>在各自的范围约束下的可能取值，将这些可能取值作为每个光路的可选波长，调整每个光路的波长，进行光路的优化。

本发明的一种低功耗驱动的400G DR4硅光子板集成光模块，具有以下有益效果：高功耗一直是光通信领域的一大挑战，而本发明的低功耗驱动设计在这一方面取得了显著的突破。通过使用经过优化的电极参数和电压信号调整，本发明成功降低了整个光模块的功耗，减少了能源浪费和热量产生，从而延长了设备的寿命并提高了可靠性。高速光通信中，非线性效应如相位失真和信号失真是常见问题，会影响信号质量和通信性能。本发明引入了非线性调制目标函数和电光调制方程，能够在传输过程中实时调整电极参数，以管理非线性效应。通过这一创新性方法，光信号的质量得到显著改善，信号失真减少，通信质量更高。多波长光通信系统需要有效的波长管理和光路优化方法，以提高光谱资源的利用率并降低波长间的干扰。本发明的光耦合器和光路优化算法可以有效地管理和调整光信号的波长，以适应不同的通信需求。这有助于充分利用光谱资源，提高系统的灵活性和容错性。高功耗光通信模块会产生大量热量，需要高效的热传导和温度管理技术，以确保设备的长期稳定性。本发明通过实时获取运行参数，根据温度场和功耗项进行热传导优化，降低了模块的温度，提高了稳定性，延长了设备的寿命。本发明的控制电路能够实时获取运行参数并进行优化，使整个光模块可以根据实际运行情况进行调整和优化。实时优化有助于自适应性和可调性，使系统更具适应性和可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种低功耗驱动的400G DR4硅光子板集成光模块的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1：参考图1，一种低功耗驱动的400G DR4硅光子板集成光模块，它包括：四个独立的光发射器、四个独立的光接收器、光调制器、光耦合器、驱动电路、控制电路和光学组件；四个独立的光发射器包括四个独立的光发射器通道，每个光发射器通道负责一个光信号；四个独立的光接收器包括四个独立的光接收器通道，每个光接收器通道负责一个光信号；光调制器用以调制电信号以控制光信号的强度和相位，在运行过程中，光调制器将按照设定的优化目标函数对电极参数进行调整，以确保电极参数既能够满足功耗要求又能够实现电阻均衡，同时，设定非线性调制目标，求解电光调制方程，以按照设定的非线性调制目标运行；光耦合器用以将所有的光信号进行合并或者分割，以使得光信号可以共享相同的光纤或被分配给不同的光接收器通道和光发射器通道，在合并或者分割光信号时，进行噪声分析，计算非平稳噪声功率谱密度，再进行自适应功率调整，以保证输出功率在设定的阈值之下；驱动电路用以为光调制器提供电压信号，以实现电光调制，在提供电压信号时，基于电压信号进行非线性波导处理，以保证通过电光调制，生成的光信号的传输速率超过400Gbps；控制电路用以实时获取运行过程中的运行参数，进行热传导优化和光路优化。

具体的，光发射器的原理基于光电效应，它将电信号转换为光信号。通常，光发射器内部包含一个半导体激光器或LED（发光二极管）。当电流通过这些半导体器件时，它们会激发电子，导致电子在半导体晶格中跃迁并释放能量，产生光子（光子是光的基本单位）。这些光子被引导到光纤或波导中，构成光信号。光发射器的主要作用是将电信号转化为光信号，以便在光纤或波导中传输。它负责产生高频率的光波，代表数字数据或模拟信号。光发射器的关键任务是确保产生的光信号具有足够的强度、准确的频率和稳定性，以便在传输中被有效地解读和处理。光接收器的原理与光发射器相反，它将接收到的光信号转化为电信号。光接收器通常包括一个光敏探测器，例如光电二极管（photodiode）或光电探测器（photodetector）。当光信号进入光接收器时，光子的能量会导致光敏材料中的电子被激发，从而产生电流。这个电流代表了光信号的强度和频率。光接收器的主要作用是将传输中的光信号转化为电信号，以供后续的处理和解读。它负责将光信号的信息还原为数字数据或模拟信号。光接收器的性能直接影响了光通信系统的灵敏度和误码率，因此它需要具备高灵敏度和低噪声等特性。

光调制器的原理基于光的折射率与电场的相互作用。光调制器通常使用半导体材料制造，其中包含电极结构。当电信号通过这些电极时，会在半导体材料中产生电场。这个电场会影响光的折射率，从而改变光的传播速度和相位。根据光的波导性质，这个相位变化会导致光信号的相位和强度发生变化。一种常见的光调制器类型是马赫-曾德尔干涉仪，它包含两个光波导路径，一个用于输入信号，另一个用于参考信号。当输入信号与参考信号相互干涉时，根据电场的改变，光信号的相位差会发生变化，导致输出信号的强度变化。这种方式可以实现光信号的强度调制。

光调制器通过改变电场的强度，可以实现光信号的强度调制。这对于数字信号的传输非常重要，因为它允许将高低电压的电信号转化为对应的高低光强度，从而表示二进制数据的0和1。光调制器还可以实现相位调制，通过改变电场的相位来调整光信号的相位。相位调制对于传输模拟信号或多级调制非常有用，允许传输更多的信息。光调制器会按照设定的优化目标函数来调整电极参数，以确保电极参数既能够满足功耗要求又能够实现电阻均衡。这是非常重要的，因为它可以确保光调制器的性能在不同工作条件下都能够优化。

光耦合器可以将多个光信号合并成一个输出信号，或将一个输入信号分割成多个输出信号。这对于实现光信号的多路复用和分布非常有用，允许多个通道共享相同的光纤或光波导。在合并或分割光信号时，光耦合器通常进行噪声分析，计算非平稳噪声功率谱密度。这可以帮助系统实时监测信号质量，并进行自适应功率调整，以保证输出功率在设定的阈值之下。这是确保传输稳定性和数据质量的重要步骤。光耦合器还可以用于信号的路由和分发，将不同的光信号传输到相应的接收器或发射器通道。这有助于优化光通信系统的配置和性能。

驱动电路进行非线性波导处理，以确保通过电光调制，生成的光信号的传输速率超过400Gbps。非线性波导处理通常涉及特殊的波导结构或材料，以实现高速调制。驱动电路的主要作用是为光调制器提供必要的电压信号，以实现光信号的调制。光调制器的工作需要精确的电压控制，以确保所需的强度或相位调制，驱动电路进行非线性波导处理，以确保生成的光信号的传输速率超过400Gbps。非线性波导处理是一种关键的技术，它通过改变波导中的折射率或其他属性来实现非线性效应，以满足高速调制的需求。

控制电路实时监测光模块的各种参数，包括温度、电压、电流等，以确保它们在安全范围内工作。如果出现任何异常，控制电路可以立即采取措施，例如关闭电源或降低电压，以防止损坏或故障。光模块的性能受光路的影响，控制电路可以通过调整光路的参数，例如衰减器、分束器等，以优化光信号的质量和传输性能。

实施例2：运行参数包括：温度场、温度场变化率、热导率、热源项功率、散热项功率、光场复振幅、线性系数和非线性系数。

具体的，温度场是描述光模块内部温度分布的参数。它可以反映光模块不同区域的温度情况，对于控制光模块的热传导和热管理非常重要。通过监测温度场，可以避免过热和确保光模块的稳定工作。温度场变化率表示温度如何随时间变化。它用于检测温度的动态变化，有助于实时监测光模块的热特性，以便采取适当的热管理措施。热导率是材料的热传导性能参数，描述了材料传热的能力。对于光模块的散热设计和热传导优化，了解材料的热导率非常重要。热源项功率表示光模块内部的热能源，通常由电子元件、光电元件等产生。这个参数描述了光模块内部产生热量的强度。散热项功率表示光模块通过散热装置或散热结构散发热量的强度。它与热源项功率之间的平衡关系对于光模块的温度管理至关重要。光场复振幅描述了光波的复振幅，包括幅度和相位信息。这个参数对于光信号的调制和传输非常关键，涉及到光的强度和相位调制。线性系数通常用于描述材料或光波的线性特性，例如折射率随电场强度的变化。这个参数对于光调制器的线性调制非常重要。非线性系数描述材料或光波的非线性特性，通常与高功率光信号和非线性光效应有关。对于高速、高功率光通信系统，了解非线性系数非常重要，以避免信号失真和非线性效应。

实施例3：优化目标函数使用如下公式记性表示：

；

其中，是优化目标值，通过最小化优化目标值，找到对应的电极参数，基于电极参数进行调整，以确保电极参数既能够满足功耗要求又能够实现电阻均衡；/>是电极的数量，表示有多少个电极需要被优化；每个电极用不同的电阻来调制光信号；/>是每个电极的当前功耗，表示每个电极实际消耗的电能；/>是目标功耗，表示希望每个电极达到的功耗水平；/>是每个电极的权重，用于调整每个电极在目标函数中的影响程度；/>是正则化参数，用于平衡功耗优化和电阻均衡；正则化参数控制着目标函数中功耗项和电阻均衡项之间的权衡。较大的/>值会更强调电阻均衡，而较小的值会更强调功耗优化；/>是每个电极的电阻值，表示电极的电阻大小；/>是电阻的最大允许值，用于限制电极电阻的上限；通过调整电阻值/>，可以改变每个电极的电阻，以满足目标功耗/>和电阻均衡的要求。

具体的，功耗项基于实际功耗与目标功耗之间的差异。公式中使用了差异的平方，即 。差异越大，这一项的值就越大，表明实际功耗与目标功耗之间的差异越大。这个项的作用是鼓励每个电极的功耗接近目标功耗。通过最小化这一项，可以确保每个电极的功耗尽量接近所需的功耗水平。电阻均衡项通过比较所有电极的电阻之和与电阻的最大允许值之间的比例来评估电阻均衡。比例的值越接近1，表示电阻更加均衡。这个项的作用是鼓励电极的电阻分布更加均匀。通过调整电阻值，可以实现电阻均衡，以确保不会有一个电极的电阻远远高于其他电极，从而导致功耗分布不均匀。正则化参数/>的原理是用于平衡功耗优化和电阻均衡之间的权衡。较大的/>值会更强调电阻均衡，而较小的值会更强调功耗优化。/>的作用是控制功耗优化和电阻均衡之间的折衷。通过调整/>的值，可以根据实际需求来平衡电阻均衡和功耗的优化，以获得最佳的电极参数。通过最小化整个目标函数，可以找到合适的电极参数，以满足目标功耗和电阻均衡的要求。这个优化问题的解将确定每个电极的电阻值，以便在电阻均衡和功耗要求之间找到最佳平衡点。通过调整/>的值，可以在不同的应用场景中调整优化的重点，以满足性能和功耗的不同需求。总的来说，这个目标函数在电路优化中发挥了关键作用，确保了功耗和电阻的均衡和优化。

实施例4：设定非线性调制目标为光场复振幅的最小值大于设定的下限值，再求解电光调制方程，以按照设定的非线性调制目标运行；所述电光调制方程使用如下公式进行表示：

；

其中，是光场复振幅，它代表了光波的电场分布随时间和空间的变化，在电光调制中，光场复振幅会根据电信号的变化而变化，从而实现光信号的调制；/>是约化普朗克常数；/>是群速度色散参数，它描述了光信号在光纤或波导中传播时，不同频率成分的传播速度差异；/>是线性损耗系数，它表示光信号在传播中的能量损失率；/>是非线性系数，描述了光波的非线性响应；/>为虚数符号；/>为时间；/>为传播距离。

具体的，第一项：这一项描述了群速度色散的效应。群速度色散是指不同频率成分在光信号中传播速度差异的现象。不同频率的光信号在光纤或波导中传播时，由于折射率的频率依赖性，会导致不同频率成分的传播速度不同。这个项的原理是考虑了不同频率成分的相位差，随时间的二阶导数。它表示了频率分散效应对光信号相位的影响，从而影响光场复振幅/>随时间的演化。第二项/>：这一项表示线性损耗，描述了光信号在传播中的能量损失。线性损耗是由于吸收、散射和其他传输过程导致的。这个项的原理是简单的衰减模型，其中/>表示线性损耗系数，表示单位距离内的功率损失。第三项/>：这一项描述了光波的非线性响应，其中/>是非线性系数，表示了光波的非线性特性。非线性效应通常是由于高光强度引起的，其中光强度与光场复振幅的绝对值的平方成正比。这个项的原理是考虑光场复振幅的非线性效应，其中光场的自相互作用会导致光信号的相位和振幅的非线性变化。电光调制方程的原理在于综合考虑了群速度色散、线性损耗和非线性效应对光信号的影响。通过求解这个方程，可以了解光信号在传输过程中的演化，从而实现光信号的调制和传输。这对于光通信和光信号处理应用具有重要意义，特别是在高速、高功率光通信系统中，非线性效应可能显著影响光信号的性能。

实施例5：光耦合器使用如下公式，计算非平稳噪声功率谱密度：

；

其中，是非平稳噪声功率谱密度，它表示随时间/>和频率/>变化的噪声强度，描述了信号在频域上的能量分布；/>是玻尔兹曼常数；/>是光模块的温度，以开尔文为单位；/>是光模块的电阻；/>是频率；/>是时间；/>是信噪比。

具体的，这个公式描述了非平稳噪声功率谱密度，它用于表示随时间/>和频率/>变化的噪声的强度。这个公式表示了噪声在频域（频率/>）和时域（时间/>）上的分布。它是一种频谱密度函数，用于描述信号的噪声在不同频率和不同时刻的强度。/>可以看作是噪声在频率域上的表达，它告诉我们在不同频率分量上的噪声功率密度。玻尔兹曼常数/>是物理常数，通常以焦耳每开尔文（J/K）为单位。它在统计物理学中具有重要作用，表示了温度和分子能量之间的关系。温度/>表示了光模块的绝对温度，通常以开尔文（Kelvin，K）为单位。温度是噪声产生的一个重要因素，因为它影响了分子和电子的热运动，进而影响了噪声的性质。电阻/>表示光模块的电阻值，通常以欧姆（Ohm，Ω）为单位。电阻决定了电流和电压之间的关系，也会影响噪声的电热产生。频率/>表示信号在频域上的不同分量。不同频率成分的噪声强度会在频谱上有所不同。时间/>表示观察噪声功率谱密度的时间点或时间段。这意味着噪声的性质可能随时间而变化。信噪比表示信号与噪声的相对强度。这个参数可以用来调节噪声的级别，较高的SNR表示信号相对于噪声更强。第一部分/>表示热噪声的贡献，这是由于元件内部的热运动而产生的。玻尔兹曼常数/>用于将温度/>转化为能量单位，而电阻/>影响了热噪声的强度。第二部分（/>）表示信噪比对噪声的影响。SNR用于调整噪声强度的级别，较高的SNR可以降低噪声功率谱密度的影响。第三部分描述了频率分布，它是频域上的sinc函数。这部分反映了噪声在频率上的分布特性，即噪声功率密度在不同频率成分上的强度变化。

实施例6：光耦合器使用如下公式，进行自适应功率调整：

；

；其中，/>为总时间；/>为设定的阈值；/>是在时间/>时刻的输出功率；/>是通道的数量，表示光模块中的多个通道或通信通道的数量，每个通道可以传输不同的数据；/>是光模块的最小输出功率；/>是光模块的最大输出功率；/>是在时间/>时刻的通道/>的数据需求量；/>是光模块的最大通信数据速率。

具体的，首先，公式对每个通道的数据需求量进行加权求和，其中/>表示通道的索引。这意味着不同通道的需求量被考虑在内，通道间可能具有不同的数据传输要求。计算得到的总需求量被用于计算输出功率/>。这个输出功率通过以下方式进行限制：表示光模块的最小输出功率，确保在低功率情况下仍能正常运行。/>表示光模块的最大输出功率，表示光模块可以达到的最大功率值。输出功率/>被限制在/>和之间，以确保输出功率在可接受范围内。公式中的/>表示噪声功率密度的积分。这一项用于考虑噪声对输出功率的影响。通过减去噪声功率密度，可以降低噪声对输出功率的负面影响，从而提高通信质量。最后，计算得到的输出功率/>与设定的功率阈值/>进行比较。如果输出功率超过了阈值，可能需要采取措施来降低输出功率，以确保满足限制条件。总之，这个公式的原理是通过权衡各通道的数据需求、限制输出功率范围、考虑噪声影响以及与设定的功率阈值进行比较，来实现自适应地调整光模块的输出功率。这样可以满足多通道通信的需求，并确保通信系统在不同条件下都能保持良好的性能。

公式允许系统根据不同通道的实时数据需求来自适应地分配输出功率。通道的数据需求可以不断变化，公式确保在任何时刻都能满足各通道的需求。公式限制了输出功率的范围，确保输出功率不会超过预先设定的最大功率，以避免过度驱动光模块和保护光学组件。同时，公式也考虑了最小输出功率/>，以确保在低功率情况下光模块仍能正常工作。这有助于维持系统的稳定性。公式减去了噪声功率密度的积分，这意味着它可以补偿噪声对输出功率的影响。噪声功率密度的减除有助于提高通信质量，降低误码率。公式将计算得到的输出功率与设定的功率阈值/>进行比较。如果输出功率超过了阈值，系统可以采取措施来降低功率，以确保不超过限制条件。公式的适应性使得系统能够灵活应对不同通信需求和环境条件。无论通道数量、数据需求或噪声水平如何变化，都可以通过公式实现自动调整，提高了系统的鲁棒性和性能。公式的自适应功率调整有助于节约能源，因为它只分配和使用必要的功率，避免了过度消耗电能。总之，这个公式的作用在于通过自适应地分配和调整输出功率，以满足不同通道的数据需求，同时限制输出功率在设定的范围内，以提高通信系统的性能、可靠性和效率。它是光模块和通信系统中的重要控制机制，有助于优化系统的运行。

实施例7：驱动电路在提供电压信号时，通过如下公式，基于电压信号进行非线性波导处理：

；/>

其中，是光场复振幅/>关于传播距离/>的偏导数，表示光波在空间中的传播变化；/>表示群速度色散的影响，/>是群速度色散参数，它描述了不同频率分量的光波在传播中的相速度差异，/>表示光波关于时间的二阶导数，用来描述光波的频率变化；/>表示高阶色散的影响，其中/>是高阶色散参数；/>表示光波关于时间的三阶导数，用来描述更高阶的频率变化；/>是非线性效应的项，其中/>是非线性系数，表示光波的非线性响应；/>表示光场复振幅的平方，即光强度，描述了光强度对光波相位和幅度的非线性影响；基于传输速率/>的约束条件：/> ；以计算得到光场复振幅/>，以此完成非线性波导处理。

具体的，这个项表示光场复振幅/>关于传播距离/>的偏导数。它描述了光波在波导中的传播变化，包括传播方向和幅度的改变。/>这部分表示群速度色散的影响，其中/>是群速度色散参数，描述了不同频率分量的光波在传播中的相速度差异。表示光波关于时间的二阶导数，用来描述光波的频率变化。群速度色散会导致不同频率成分的光波在波导中传播速度不同，从而影响到光波的相位和频率。/>这一部分考虑了高阶色散的效应，其中/>是高阶色散参数，/>表示光波关于时间的三阶导数，用来描述更高阶的频率变化。高阶色散参数/>描述了光波频率的更高阶变化，它在非线性光学中也是重要的影响因素。/>这个部分表示非线性效应，其中/>是非线性系数，表示光波的非线性响应。/>表示光场复振幅的平方，即光强度，描述了光强度对光波相位和幅度的非线性影响。非线性效应可以导致光波在波导中发生相位调制、频率变化和光强度调制等现象，这在光通信和非线性光学中具有重要应用。约束条件/> 指定了传输速率/>的下限值，确保光波的传输速率不低于400Gbps。这是为了满足特定通信要求，通常用于高速通信系统中。这个公式的原理在于描述了光波在波导中传播过程中的多个因素相互作用，包括空间传播、群速度色散、高阶色散和非线性效应。它们共同影响了光波的相位、频率和光强度，从而决定了光波在波导中的行为。空间传播项/>描述了光波在波导中的传播特性，包括光波的传播方向和幅度的变化。群速度色散和高阶色散项和/>考虑了光波在时间域中的频率变化，特别是在高速通信中，这些项对于补偿信号失真非常重要。非线性效应项/>考虑了光波的非线性响应，这在光通信中也是关键因素，可以用于信号调制和光学开关等应用。

公式中的项描述了光场复振幅/>关于传播距离/>的偏导数，用于表征光波在波导中的传播行为。这部分的作用是描述光波的传播方向和幅度变化。公式中的部分考虑了群速度色散的影响。群速度色散参数/>描述了不同频率分量的光波在传播中的相速度差异。这部分作用是考虑光波频率随时间变化的影响，特别是在高速通信系统中。公式中的/>部分考虑了高阶色散的影响，其中/>是高阶色散参数。这部分用于描述光波频率的更高阶变化，对于光信号的传输质量具有影响。公式中的/>部分表示非线性效应，其中/>是非线性系数，/>表示光场复振幅的平方，即光强度。这部分的作用是考虑光波的非线性响应，可以用于信号调制、波长转换和光学开关等应用。公式中的约束条件/> 确保了传输速率/>不低于400Gbps。这是一个关键的通信性能要求，确保系统能够满足高速通信的需求。

实施例8：控制电路实时获取运行过程中的运行参数，通过如下公式，进行热传导优化：

；其中，/>为温度场；/>为温度场变化率；/>为热导率；/>为拉普拉斯算子；/>为热源项功率；/>为散热项功率；/>为光模块的比热容；通过设定温度场变化率/>，以调整散热项功率/>，实现热传导优化。

具体的，这个项表示温度场/>关于时间/>的偏导数，即温度场的变化率。它描述了温度场随时间的演化，即温度如何随时间变化。/>这部分表示热传导的影响，其中/>是热导率，/>是拉普拉斯算子。这一项用于描述温度场中的热传导过程，考虑了热能在材料中的传递和分布。/>这一部分表示热源项功率和散热项功率的影响，其中/>是热源项功率，/>是散热项功率，/>是光模块的比热容。这一项考虑了热源和散热对温度场的影响，可以表示为能量输入和输出的差异。这个公式通过调整温度场变化率/>，以控制散热项功率/>，从而实现热传导的优化。具体来说：/>示了温度场随时间的变化速率，即温度场的动态演化过程。/>表示了热传导的效应，它考虑了温度场中的热能传递和分布情况，其中/>是热导率。这一项用于描述热量如何在材料中传播。/>表示了热源项功率和散热项功率的差异，除以比热容/>。这部分表示了热源和散热对温度场的影响，差异越大，温度场的变化率也会越大。通过调整温度场变化率/>，可以影响热传导项和热源散热项之间的平衡，从而实现热传导的优化。如果需要提高散热效率，可以增加/>以增加散热功率，反之亦然。总的来说，这个公式的作用是在运行过程中通过实时控制温度场变化率，来调整散热项功率，以实现热传导的优化。这有助于维持光模块在稳定温度条件下的正常运行，提高系统的性能和可靠性。

实施例9：控制电路实时获取运行过程中的运行参数，通过如下公式，进行光路优化：

；其中，/>为第/>个光路的光场复振幅；/>为第/>个光路的波长下限值；/>为线性系数；/>为第/>个光路的光场复振幅；/>为第/>个光路的波长下限值；通过求解得到/>和/>在各自的范围约束下的可能取值，将这些可能取值作为每个光路的可选波长，调整每个光路的波长，进行光路的优化。

具体的，这一项表示了光场复振幅/>和/>之间的差异随着传播距离/>的变化率。它表示了不同光路之间的光场复振幅如何随着信号在光路中传播而变化。这部分考虑了群速度色散的效应，其中/>是群速度色散参数。群速度色散是不同波长的光信号在传播过程中速度的差异。这一项表示了光场复振幅由于群速度色散而引起的相位变化，对光信号的传播特性产生重要影响。/>这部分表示波长差异对光场复振幅的影响，其中/>和/>分别是第/>个光路和第/>个光路的波长下限值。这一项描述了不同光路之间的波长差异，以及由此产生的光场复振幅之间的相互作用。/>这一部分表示非线性效应的影响，其中/>是非线性系数。非线性效应通常导致光场复振幅之间的相互作用，包括相位和幅度的调制。这对于信号处理和光学器件的设计非常重要。/>这一项考虑了高阶色散的效应，其中/>是线性系数，/>是高阶色散参数。高阶色散通常对光信号的频率特性产生更复杂的影响，包括频率变化和相位变化。这个公式的作用原理在于通过解这个方程，找到不同光路的波长/>和/>的最佳取值，以最大化或最小化特定性能指标。通常，这个公式用于光通信系统中，其中不同光路可能具有不同的波长和传播特性。/>表示了光场复振幅在传播过程中的演化，反映了不同光路之间的相互作用。/>考虑了群速度色散，这可以用于调整波长以减小信号失真。/>考虑了波长差异的影响，通过调整波长，可以优化光信号的传播。/>考虑了非线性效应，这对信号调制和处理非常关键。/>考虑了高阶色散，以更准确地优化光路。通过求解这个公式，可以得到不同光路的波长分配，从而实现光路的优化，以满足特定的性能要求，例如最大化传输速率或最小化信号失真。这对于光通信系统的性能优化非常重要。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种低功耗驱动的400G DR4硅光子板集成光模块，其特征在于，它包括：四个独立的光发射器、四个独立的光接收器、光调制器、光耦合器、驱动电路、控制电路和光学组件；四个独立的光发射器包括四个独立的光发射器通道，每个光发射器通道负责一个光信号；四个独立的光接收器包括四个独立的光接收器通道，每个光接收器通道负责一个光信号；光调制器用以调制电信号以控制光信号的强度和相位，在运行过程中，光调制器将按照设定的优化目标函数对电极参数进行调整，以确保电极参数既能够满足功耗要求又能够实现电阻均衡，同时，设定非线性调制目标，求解电光调制方程，以按照设定的非线性调制目标运行；光耦合器用以将所有的光信号进行合并或者分割，以使得光信号可以共享相同的光纤或被分配给不同的光接收器通道和光发射器通道，在合并或者分割光信号时，进行噪声分析，计算非平稳噪声功率谱密度，再进行自适应功率调整，以保证输出功率在设定的阈值之下；驱动电路用以为光调制器提供电压信号，以实现电光调制，在提供电压信号时，基于电压信号进行非线性波导处理，以保证通过电光调制，生成的光信号的传输速率超过400Gbps；控制电路用以实时获取运行过程中的运行参数，进行热传导优化和光路优化。

2.如权利要求1所述的低功耗驱动的400G DR4硅光子板集成光模块，其特征在于，运行参数包括：温度场、温度场变化率、热导率、热源项功率、散热项功率、光场复振幅、线性系数和非线性系数。

3.如权利要求2所述的低功耗驱动的400G DR4硅光子板集成光模块，其特征在于，优化目标函数使用如下公式记性表示：

；

其中，是优化目标值，通过最小化优化目标值，找到对应的电极参数，基于电极参数进行调整，以确保电极参数既能够满足功耗要求又能够实现电阻均衡；/>是电极的数量，表示有多少个电极需要被优化；每个电极用不同的电阻来调制光信号；/>是每个电极的当前功耗，表示每个电极实际消耗的电能；/>是目标功耗，表示希望每个电极达到的功耗水平；是每个电极的权重，用于调整每个电极在目标函数中的影响程度；/>是正则化参数，用于平衡功耗优化和电阻均衡；正则化参数控制着目标函数中功耗项和电阻均衡项之间的权衡，较大的/>值会更强调电阻均衡，而较小的值会更强调功耗优化；/>是每个电极的电阻值，表示电极的电阻大小；/>是电阻的最大允许值，用于限制电极电阻的上限；通过调整电阻值/>，可以改变每个电极的电阻，以满足目标功耗/>和电阻均衡的要求。

4.如权利要求3所述的低功耗驱动的400G DR4硅光子板集成光模块，其特征在于，设定非线性调制目标为光场复振幅的最小值大于设定的下限值，再求解电光调制方程，以按照设定的非线性调制目标运行；所述电光调制方程使用如下公式进行表示：

；

其中，是光场复振幅，它代表了光波的电场分布随时间和空间的变化，在电光调制中，光场复振幅会根据电信号的变化而变化，从而实现光信号的调制；/>是约化普朗克常数；/>是群速度色散参数，它描述了光信号在光纤或波导中传播时，不同频率成分的传播速度差异；/>是线性损耗系数，它表示光信号在传播中的能量损失率；/>是非线性系数，描述了光波的非线性响应；/>为虚数符号；/>为时间；/>为传播距离。

5.如权利要求4所述的低功耗驱动的400G DR4硅光子板集成光模块，其特征在于，光耦合器使用如下公式，计算非平稳噪声功率谱密度：

；

其中，是非平稳噪声功率谱密度，它表示随时间/>和频率/>变化的噪声强度，描述了信号在频域上的能量分布；/>是玻尔兹曼常数；/>是光模块的温度，以开尔文为单位；/>是光模块的电阻；/>是频率；/>是时间；/>是信噪比。

6.如权利要求5所述的低功耗驱动的400G DR4硅光子板集成光模块，其特征在于，光耦合器使用如下公式，进行自适应功率调整：

；

；

其中，为总时间；/>为设定的阈值；/>是在时间/>时刻的输出功率；/>是通道的数量，表示光模块中的多个通道或通信通道的数量，每个通道可以传输不同的数据；/>是光模块的最小输出功率；/>是光模块的最大输出功率；/>是在时间/>时刻的通道/>的数据需求量；/>是光模块的最大通信数据速率。

7.如权利要求6所述的低功耗驱动的400G DR4硅光子板集成光模块，其特征在于，驱动电路在提供电压信号时，通过如下公式，基于电压信号进行非线性波导处理：

；

其中，是光场复振幅/>关于传播距离/>的偏导数，表示光波在空间中的传播变化；表示群速度色散的影响，/>是群速度色散参数，它描述了不同频率分量的光波在传播中的相速度差异，/>表示光波关于时间的二阶导数，用来描述光波的频率变化；/>表示高阶色散的影响，其中/>是高阶色散参数；/>表示光波关于时间的三阶导数，用来描述更高阶的频率变化；/>是非线性效应的项，其中/>是非线性系数，表示光波的非线性响应；/>表示光场复振幅的平方，即光强度，描述了光强度对光波相位和幅度的非线性影响；基于传输速率/>的约束条件：/>；以计算得到光场复振幅/>，以此完成非线性波导处理。

8.如权利要求7所述的低功耗驱动的400G DR4硅光子板集成光模块，其特征在于，控制电路实时获取运行过程中的运行参数，通过如下公式，进行热传导优化：

；

其中，为温度场；/>为温度场变化率；/>为热导率；/>为拉普拉斯算子；/>为热源项功率；/>为散热项功率；/>为光模块的比热容；通过设定温度场变化率/>，以调整散热项功率/>，实现热传导优化。

9.如权利要求8所述的低功耗驱动的400G DR4硅光子板集成光模块，其特征在于，控制电路实时获取运行过程中的运行参数，通过如下公式，进行光路优化：

；

其中，为第/>个光路的光场复振幅；/>为第/>个光路的波长下限值；/>为线性系数；/>为第/>个光路的光场复振幅；/>为第/>个光路的波长下限值；通过求解得到/>和/>在各自的范围约束下的可能取值，将这些可能取值作为每个光路的可选波长，调整每个光路的波长，进行光路的优化。