波分复用光交叉连接系统

技术领域

本发明涉及集成光电子学领域，具体涉及一种波分复用光交叉连接系统。

背景技术

近年来，不断升级的通信技术将大数据、云计算服务深入融合到人们的日常生活中，这造成了光纤通信系统的容量指数式增长。为了适应上述情景的迫切需求，光波分复用系统应运而生。在波分复用系统中，可重构光分插复用器是一种高效、可靠的光交换通道分配和管理工具，而高性能波分复用光交叉连接芯片则是可重构光分插复用器的核心元件。对于波分复用光交叉连接系统而言，已有的实现方式主要包括自由空间和片上集成，而片上集成方式因其尺寸紧凑、规模化潜力大和功耗较低等优势成为人们在该领域的研究热点。

绝缘体上硅(SOI)波导因其折射率差大，波导弯曲半径可以小到微米量级，因此可以实现紧凑的光器件，并且硅波导的损耗相对较低。因此，相比于传统的微机电(MEMS)、液晶(LCoS)、二氧化硅平面波导链路(SiO

波分复用光交叉连接系统的关键单元是具有波长选择特性的光器件。基于SOI平台，研究人员已经设计了由波导阵列光栅(AWG)(Journal of Lightwave Technology,Vol.30,No.4,2012)、集成纳米孔波导(Nanobeam)(Journal of Lightwave Technology,Vol.38,No.2,2020)、级联微环谐振器(MRR)(OECC,2019)、对向耦合器辅助的微环谐振器(contra-directional coupler assisted MRR)(Journal of Lightwave Technology,Vol.38,No.12,2020)等结构构成的波分复用光交叉连接芯片。虽然它们都实现了波分复用和路径路由的功能，但是不可否认的是，它们都具备一些缺陷，譬如基于AWG的芯片波导链路复杂，面积大，插入损耗大；基于MRR和Nanobeam的芯片消光比低，不足以支持使用单个单元同时实现波分和复用的功能；特别是Nanobeam结构的工艺容差较小，难以利用180nm标准硅光工艺制备。

双微环耦合马赫-曾德尔干涉结构可以有效克服上述一系列问题，其结构比AWG简单，已经具有在标准硅光工艺平台进行大规模集成制备的案例(Journal of LightwaveTechnology,Vol.36,No.2,2018)；单元器件尺寸比级联MRR略大但和Nanobeam相接近；可通过调谐集成在两臂上的微环谐振器来实现对目标波长的选择性滤波，从而实现波分复用/解复用的功能；最重要的是波分复用单元具有较高的消光比，可以使用一个波分复用单元同时实现波分和复用功能，从而使得片上系统更紧凑。基于此，我们提出了基于双微环辅助马赫-曾德尔干涉结构的波分复用光交叉连接芯片，通过上位机-外部设备联合控制装置共同构成具有波长、光交换路径自动重构的光交叉连接系统。

发明内容

针对上述波分复用光交叉连接芯片及系统迫切的应用需求以及现有的几种方案各自的缺陷，本发明提出一种波分复用光交叉连接系统。该系统不仅结构简单，易于规模化，而且可重构性高，能连续自动设定工作波长且路径选择自由。最重要的是，该芯片的波分复用器件消光比很高，单个单元兼具波分和复用功能，使得校准单元数减半，有利于降低校准系统的复杂度，具有很明显的应用价值。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种波分复用光交叉连接系统，包括硅基光芯片与自动控制装置，其特征在于，所述硅基光芯片包括M路光输入耦合器、M组N波长波分复用器、N组M×M光开关阵列和M路光输出耦合器，所述M路光输入耦合器和M组N波长波分复用器的输入端逐一连接，所述N波长波分复用器的N个波分输出端和对应N组M×M光开关阵列的指定输入端连接，所述每个M×M光开关阵列的M个输出端分别和M组N波长波分复用器的指定复用输入端连接，所述M组N波长波分复用器的输出端和M路光输出耦合器连接以输出信号光。所述的自动控制装置由宽谱激光器模块、可调滤波模块、多通道电信号输出模块、多通道光功率采集模块、上位机模块和光开关模块构成。所述宽谱激光器模块的输出端与可调滤波模块的输入端相连，对宽谱光进行带通滤波，所述可调滤波模块的输出端通过一个光开关模块与所有光输入耦合器相连，由路由路径选择算法控制光开关模块切换光信号到指定的光输入耦合器。所述多通道光功率采集模块的输入端与所有M路光输出耦合器的输出端相连。所述多通道电信号输出模块的电信号输出端和N波长波分复用器以及M×M光开关阵列的所有电信号输入端连接，所述的上位机模块分别和宽谱激光器模块、可调滤波模块、多通道电信号输出模块、多通道光功率采集模块的通信接口连接。

所述的波分复用光交叉连接系统，其特征在于，所述的M路光输入耦合器和输出耦合器采用光栅耦合器结构以垂直耦合的方式，或采用倒锥形模斑转换结构以水平耦合的方式将光信号耦合到片上系统。

所述的波分复用光交叉连接系统，其特征在于，所述N波长波分复用器由N个双微环耦合马赫-曾德尔结构串联而成，即前一级单元的第二输出端和后一级单元的第一输入端依次连接，第一级的第一输入端和第N级第二输出端分别为该波分复用器的光输入端和光输出端；所有级联结构上双环耦合马赫-曾德尔结构的第一输出端为该波分复用器的波分输出端，第二输入端为该波分复用器的复用输入端。所述双微环耦合马赫-曾德尔结构由两个输入波导、两个微环谐振器、一个2×2等臂马赫-曾德尔干涉仪、四个波导移相器以及两个光输出波导构成。所述两个微环谐振器分别与所述等臂马赫-曾德尔干涉仪的两臂耦合，耦合参数相同；所述波导移相器中有两个集成在微环谐振器上，用于调控两微环谐振器的相位差以改变器件的工作波长和工作状态。所述波导移相器中的剩余两个集成在2×2等臂马赫-曾德尔干涉仪的两臂上，用于调控两臂间的相位差以进一步提高器件的滚降和消光比；所述波导移相器采用TiN热电阻或半导体加热器等结构，通过热光效应实现波导相移；或采用P-I-N结构，通过载流子色散效应实现波导相移；所述波导移相器的电信号输入端与所述控制装置中多通道电信号输出模块的输出端连接。所述的两个输入波导和两个输出波导作为双环耦合马赫-曾德尔结构的两个输入端和两个输出端。

所述的波分复用光交叉连接系统，其特征在于，所述M×M光开关阵列由若干个2×2光开关单元、输入输出波导以及波导交叉结构成，采用包括但不限于Benes,Crossbar,Switch and Select,DLN以及PILOSS等拓扑结构。所述2×2光开关单元可以采用马赫-曾德尔干涉仪、微环谐振器、多模干涉仪或双微环耦合-马赫曾德尔干涉仪等结构；所述波导交叉结采用多模干涉仪或多层波导结构。所述2×2光开关单元集成了波导移相器以实现波导移相，采用热光效应或者载流子色散效应将光开关单元调节至交叉状态或直通状态。所述波导移相器的电信号输入端与所述控制装置中多通道电信号输出模块的输出端连接。

所述宽谱激光器模块可同时在指定波长范围内输出稳定的光信号。

所述可调滤波模块可实现指定中心波长和带宽条件下稳定的光带通滤波。

所述的波分复用光交叉连接系统，其特征在于，所述光开关模块可将输入光信号切换到其任一指定的输出端口上，且保持足够大的带宽和足够小的插入损耗。

所述多通道电信号输出模块可在其输出端分别输出指定电压或指定功率的电信号，所述电信号的形式包括但不限于直流或具有一定频率占空比可调的脉宽调制电信号。

所述多通道光功率采集模块可同时采集并实时显示平均光功率值，采集到的光功率将用来实现系统的波长及路由路径校准。

所述上位机模块可控制宽谱激光器模块输出指定功率的光信号；可控制可调滤波模块按照指定中心波长和带宽实现光信号滤波；可控制多通道电信号输出模块在指定端输出一定电压或功率的电信号；可实时采集并上传多通道光功率采集模块指定端的光功率；相互通信可通过串口、USB或者GPIB等接口实现。

所述上位机模块搭载了N波长波分复用光交叉连接系统的自动校准算法，可以通过MATLAB、Python或者Labview实现。所述自动校准算法包括了N波长波分复用器的波长自动对准算法以及M×M光开关阵列的路由路径选择算法。波长自动对准算法用于实现N个不同的双环耦合马赫-曾德尔结构的波长对准，可以采用机器学习辅助传输谱识别算法实现；也可以在宽谱光信号输入的情形下采用基于平均光功率的爬山算法、梯度下降法、单纯形法、模拟退火算法或粒子群优化算法等无约束搜索算法来实现。M×M光开关阵列的路由路径选择算法，用于将N个M×M光开关阵列校准到指定的光交换路径，可以通过逐个波导移相器暴力搜索寻优，或通过多个波导移相器同时调谐并采用粒子群优化、模拟退火以及细菌觅食优化等群优化方法来实现。

和现有技术相比，本发明具有的优势如下：

1.本发明波分复用光交叉连接芯片可在SOI平台实现单片集成，结构简单紧凑，芯片尺寸较小，并且和CMOS工艺兼容，有利于降低制造成本，并且控制方式多元化。

2.本发明波分复用单元采用双微环耦合马赫-曾德尔结构，并且在微环与两臂上都集成了移相器，可以通过这两组移相器提升单元在目标波长处直通状态的消光比以及在非目标波长处交叉状态的消光比。

3.本发明中波分复用单元采用的双微环复杂马赫-曾德尔结构，因其可通过两组移相器实现较大消光比，为此可使单个波分复用单元兼具波分复用和解复用功能，使得系统中的波分复用单元数减半，由此所需的控制算法复杂度也可以明显降低。

4.本发明中光信号路由选择的M×M光开关阵列可以由若干个2×2开关单元和低插入损耗、低串扰波导交叉结以阻塞或非阻塞拓扑结构实现，不同波长的光信号通过不同的M×M光开关阵列进行路由路径选择，路由过程中的串扰可被有效抑制。

5.本发明采用外部多通道光功率采集模块，通过上位机搭载的控制程序实现目标波长选择或路由路径选择，将控制系统的复杂度转移到易控制的软件系统中，避免了复杂的数字控制电路。

附图说明

图1为本发明波分复用光交叉连接系统的总体图。

图2为本发明波分复用单元的结构图。

图3为本发明波分复用单元处于正常工作状态时两微环相位关系以及传输谱。

图4为本发明N波长波分复用器的结构图。

图5为本发明波长波分复用光交叉连接系统实施例4的结构图，其中4×4光开关阵列采用双层(DLN)结构。

图6为本发明N波长波分复用光交叉连接芯片自动控制装置总体图。

图7为本发明实施例4波长波分复用器的波长自动选择算法的流程图。

图8为本发明实施例4×4马赫-曾德尔DLN光开关阵列自动路由算法的流程图。

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，然而实施例能够有多种存在形式，且不应被理解为限于在此阐述的范例；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。

图1为本发明波分复用光交叉连接系统的总体图。如图1所示，本实施例波分复用光交叉连接系统包括一个波分复用光交叉连接芯片和一个控制装置。所述芯片由M路光输入耦合器101、M组N波长波分复用器102、N组M×M光开关阵列103和M路光输出耦合器104构成。所述的M个光输入耦合器101分别与M组N波长波分复用器102的信号输入端连接，第k(1≤k≤M)组N波长波分复用器102的第m(1≤m≤N)个波分输出端分别连接到第m组M×M光开关阵列103的第k个输入端上；第m组M×M光开关阵列103的第k个输出端连接到第k组N波长波分复用器102的第m个复用输入端；最后，所述N波长波分复用器102的信号输出端和N个光输出耦合器104连接。

所述的自动控制装置105中多通道电信号输出模块3003的输出端与所述所有N波长波分复用器102以及所有M×M光开关阵列103的电信号输入端连接，所述自动控制装置105中多通道光功率采集模块3004的光信号输入端与所述所有光输出耦合器104的输出端相连。

图2为本发明波分复用单元的结构图，展示了本实施例双微环耦合马赫-曾德尔波分复用单元结构图，波分复用单元102由两个输入波导1001、两个微环谐振器1002、一个2×2等臂马赫-曾德尔干涉仪1003、四个波导移相器1004和两个光输出波导1005构成，两个微环谐振器1002分别与2×2等臂马赫-曾德尔干涉仪1003的两臂以相同的参数耦合。所述的四个波导移相器1004中有两个集成在两微环谐振器1002上，用于调控两微环谐振器1002的相位差以调谐波分复用单元的工作波长与状态；剩余两个集成波导移相器1004在马赫-曾德尔干涉仪1003的两臂上，用于调控两臂间的相位差以提高波分复用单元的消光比。器件的传输特性可由传输矩阵方法推导获得，当两个微环谐振器1002的相位差满足一定关系且马赫-曾德尔干涉仪1003两臂无相位差时，该波分复用单元处于理想的工作状态。本实施例展示了所述理想状态下的传输谱，如图3所示，输出光信号在大约0.4nm的带宽内处于直通端口，其余大部分波长范围内处于交叉端口。

图4展示了本实施例N波长波分复用器的结构图，由N个双微环耦合马赫-曾德尔干涉结构级联而成。波分复用器102的第1级左端包括了一个输入(出)波导，第N级右端包括了一个输出(入)波导。第k(1

我们以4波长波分复用光交叉连接系统为例，如图5所示，每组4×4光开关阵列103由12个2×2马赫-曾德尔光开关单元2001、16个输入输出波导2002、8个波导交叉结2003以DLN结构形成，每个马赫-曾德尔光开关单元两臂集成波导移相器2004，所述系统使用了4组4×4光开关阵列。第k(1≤k≤4)组4×4光开关阵列103的第m(1≤m≤4)个输入端I

本实施例展示了一种N波长波分复用光交叉连接芯片自动控制装置的总体图，如图6所示，包括宽谱激光器模块3001、可调滤波模块3002、多通道电信号输出模块3003、多通道光功率采集模块3004、上位机模块3005和光开关模块3006。在路由路径和波长选择校准过程中，宽谱激光器模块3001和可调滤波模块3002连接实现光信号滤波后，由光开关模块3006切换连接到所述芯片的指定输入耦合器101，多通道电信号输出模块3003分别和波分复用器102以及M×M光开关阵列103的电信号输入端连接，多通道光功率采集模块3004和所述芯片的M路输出耦合器104分别连接，所述的上位机模块3005采用串口通信模式与宽谱激光器模块3001、可调滤波模块3002、多通道电信号输出模块3003、多通道光功率采集模块3004以及光开关模块3006进行通信。在校准过程中，通过上位机模块3005设定不同路由路径和路由光波长；随后，上位机模块3005通过查找表的方式锁定需调谐的波分复用单元和对应的M×M光开关阵列单元；其次，上位机模块3005通过多通道光功率采集模块3004读取目标输出端光功率，基于获得光功率调用波长自动对准算法4001来实现路由光信号的波长自动选择；调用路由路径选择算法5001将M×M光开关阵列103的路由路径进行选择。

本实施例展示了4波长波分复用光交叉连接系统的自动校准算法，其包括一种4×4DLN马赫-曾德尔光开关阵列的路由路径选择算法5001和4波长波分复用器的波长自动对准算法4001，在开始实施所述校准算法之前，应建立光交换路径和相关光开关单元、相关波分复用单元关系查找表。

本实施例展示了4波长波分复用器的波长自动选择算法的流程如图7所示，其在所述4×4光开关阵列路由路径校准之后执行，具体步骤如下：

S11.确立波长选择和路由关系，即将波长λ

S12.确定第m组波分复用器102使用的波分单元WD

S13.确定第n组波分复用器102使用的复用单元WM

S14.使用宽谱激光器模块3001经可调滤波模块3002滤出中心波长λ

S15.以S14中采集到的光功率P

S16.使用宽谱激光器模块3001经可调滤波模块3002滤出中心波长λ

S17.以S16中采集到的光功率P

本实施例展示了一种4×4DLN马赫-曾德尔光开关阵列的自动路由算法如图8所示，其特征在于，需要具体步骤如下：

S21.确立波长选择和路由关系，即将波长λ

S22.使用宽谱激光器模块3002经可调滤波模块3003滤出中心波长λ

S23.通过所述查找表确定交换路径λ

S24.使用多通道光功率采集模块3004观测第n个输出耦合器O

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。