一种硅基MZI型分数阶可调光场微分器

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种硅基MZI型分数阶可调光场微分器。

背景技术

传统光通信网络采用光域传输和电域处理的方式，导致系统结构复杂，成本高昂，能耗大，且光信号处理速率与光通信核心网容量之间存在不匹配，形成所谓的"电子瓶颈"效应，限制系统的整体性能。

全光网络是一种基于全光传输和全光交换的通信网络架构。在全光网络中，光信号在整个传输过程中保持光的形式，避免了光信号与电子信号的频繁转换。这样可以提高光信号处理的速率和容量，并减少电子器件的使用。

光场微分器就是一种在全光网络中十分重要的光信号处理器件。其中硅基光场微分器传输损耗小、可以实现高度集成化的光学系统。MZI型可调阶分数仪通常由两个分束器和两个光路不等长的干涉臂构成。入射光经第一个分束器分成两路，分别经过不等长的干涉臂后再通过第二个分束器合并。由于光路不等长，两个光束会存在相位差，从而产生干涉现象。通过调节其中一个干涉臂的长度，可以改变相位差，从而调整干涉的结果。这种调节方式使得MZI可调阶分数仪能够实现对光信号的调制。

然而，通过调整干涉臂长度差实现可调阶分数的方法通常需要调整干涉臂的长度或重新设计干涉仪的构造，此外，MZI型分数仪的稳定性对于干涉臂长度差非常敏感，任何长度差的微小变化都可能引起干涉图样的剧烈变化，需要复杂的校准和维护过程去控制干涉臂长度差去保持稳定的干涉效果。相比之下，电光调制方法更加灵活，可以通过调整电压或电场来快速实现可调阶分数，而无需改变干涉仪的结构，同时通过电光调制实现的可调阶分数仪可以更加简单直接地引入反馈系统，以提高分数仪的稳定性、精确性和自动化程度。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种硅基MZI型分数阶可调光场微分器，可以监测微分器的输出信号，并根据输出信号与期望设定信号之间的差异，通过控制光调制器的相位来实现反馈调节，具体来说，当输出信号与期望信号不匹配时，反馈回路会自动调节光调制器的相位，使得输出信号逐渐接近期望信号，从而优化微分操作的效果。

本发明的另一目的在于提供一种硅基MZI型分数阶可调光场微分器，将相移调制器与MZI干涉仪相结合，通过在相移调制器中调节电场或电流，可以精确地控制光信号的相位，进而灵活调整干涉结果。

为达到以上目的，本发明提供一种硅基MZI型分数阶可调光场微分器，包括光分束器、光耦合器和光路反馈单元，其中：

所述光分束器的输入端连接有光输入通道，所述光分束器和所述光耦合器之间分别连接有第一光传输波导和第二光传输波导，所述第一光传输波导设有第一调制移相臂并且所述第二光传输波导设有第二调制移相臂；

所述光耦合器的输出端分别连接有光输出通道和光输出附加波导(用来将多模干涉区中的散射光引导到光路反馈单元中)；

所述光路反馈单元的一端分别与所述光输出附加波导连接，并且所述光路反馈单元的另一端分别与所述第一调制移相臂和所述第二调制移相臂连接，其中：

将调制信号(比如光脉冲)输入到所述第一调制移相臂和所述第二调制移相臂的RF输入端，利用与光输出通道平行的光输出附加波导，收集从多模干涉区溢出的光，并传送到光电探测器(优选为PIN二极管)中，光电探测器输出的电压信号经过模数转换器ADC采集转化成数字信号，利用单片机控制算法处理后求得偏置电压，再通过模数转换器DAC转换成直流电压信号，输入到由所述第一调制移相臂和所述第二调制移相臂构成的MZI相位调制器的DC端，反馈控制所述第一调制移相臂和所述第二调制移相臂的偏置点。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述光分束器、所述第一调制移相臂、所述第二调制移相臂和所述光耦合器依次级联构成MZI干涉仪；

所述光分束器和所述光耦合器均为多模干涉(MMI)结构，所述光分束器的多模干涉区的适当位置引入掺杂区，并且利用掺杂区的热光或电光效应产生折射率的变化来实现任意功分比的光功率输出，以调整微分器最终输出的微分阶数。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，当MZI干涉仪中光耦合器的输入端(即第一/第二光传输波导传输的)两束光反相时，光耦合器中的光形成干涉相消，在载波频率处达到最低点，同时在相位频率响应上，使从光分束器中输出的两束光始终保持π的相位差，以实现对输入光的微分。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，单片机控制算法具体实施为：

步骤1：初始化：设置初始设定值为设定偏置电压值与特性曲线Null点对应的偏置电压的差值；

步骤2：探测干涉信号：使用光电探测器扫描传输曲线，将光信号转换为电信号，检测光电探测器的输出电压；

步骤3：反馈控制：根据模数转换器ADC输出的数据判断电压，若电压远大于上一次采集值，则删除该数据，反之认为该电压值有效，比较此电压与预设的电压值，根据差异来调整所述第一调制移相臂和所述第二调制移相臂的的控制电压，实现闭环反馈控制；

步骤4：重复步骤2-3：循环执行上述步骤，以实现稳定的相位调制和反馈控制。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，设置多个(两个及以上)光输出附加波导，对应的多个光电探测器串联，使得光输出附加波导的输出链路中最终光电压为多个光电探测器探测的光电压之和。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，光场微分器的平均光功率反馈为反馈电压，当反馈电压小于或大于设定阈值时，对相应的最佳偏置电压进行调整。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述第一调制移相臂和所述第二调制移相臂用于获取光电探测器反馈的电压值，并根据电压值进行偏压控制，使得在工作波长处的光经所述第一调制移相臂和所述第二调制移相臂调制后实现反相。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述光路反馈单元包括光电探测器、滤波器、模数转换器ADC、单片机、数模转换器DAC、信号发生器和加法器，其中：

光电探测器的一端与光输出附加波导连接，并且光电探测器的另一端依次通过滤波器、模数转换器ADC、单片机、数模转换器DAC和加法器后分别与第一调制移相臂和第二调制移相臂连接，信号发生器与加法器连接。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，第一光传输波导、第二光传输波导、光输入通道、光输出通道和光输出附加波导为条形或脊型结构。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，第一光传输波导和第二光传输波导的输入/输出端、光输入通道的输出端、光输出通道的输入端和光输出附加波导的输入端为锥型结构。

本发明的有益效果为：

1、本发明的创新之处在于将相移调制器与MZI器件相结合并引入光路反馈系统，可以对不同输入信号进行自适应微分，精确地控制光调制器的相位，以适应不同的应用需求，提高微分器的抗噪性能，从而实现更高效、更灵活的光信号调制，使其能够在复杂的光环境下正常工作。

2、本发明的可调阶分数仪还具有较大的带宽和调制深度，适用于高速光通信系统的需求。

3、本发明将在光通信、光传感和光学信息处理等领域中具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的一种硅基MZI型分数阶可调光场微分器的三维结构示意图。

图2是本发明的一种硅基MZI型分数阶可调光场微分器的波导俯视结构示意图。

图3是本发明的一种硅基MZI型分数阶可调光场微分器的相移臂部分波导和电极结构示意图((a)三维结构示意图，(b)俯视图，(c)正视图)。

图4是本发明的一种硅基MZI型分数阶可调光场微分器的工作点反馈控制原理图。

图5是本发明的一种硅基MZI型分数阶可调光场微分器的反馈控制程序流程图。

图6是本发明的一种硅基MZI型分数阶可调光场微分器的无外加功率时输出端口的频谱图((a)幅频响应曲线，(b)相频响应曲线)。

图7是本发明的一种硅基MZI型分数阶可调光场微分器的高阶微分(掺杂调制)输出端频谱图((a)幅频响应曲线，(b)相频响应曲线)。

附图标记包括：1、光分束器；2、光耦合器；4、光路反馈单元；101、光输入通道；103、光输出通道；105、第一光传输波导；106、第二光传输波导；107、第一调制移相臂；108、第二调制移相臂；109、第一光输出附加波导；110、第二光输出附加波导；112、光电探测器；113、滤波器；114、模数转换器ADC；115、单片机；116、数模转换器DAC；117、信号发生器；118、加法器。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

在本发明的优选实施例中，本领域技术人员应注意，本发明所涉及的MZI等可被视为现有技术。

优选实施例。

本发明公开了一种硅基MZI型分数阶可调光场微分器，包括光分束器1、光耦合器2和光路反馈单元4，其中：

所述光分束器1的输入端连接有光输入通道101，所述光分束器1和所述光耦合器2之间分别连接有第一光传输波导105和第二光传输波导106，所述第一光传输波导105设有(附有能负载信号的)第一调制移相臂107并且所述第二光传输波导106设有(附有能负载信号的)第二调制移相臂108；

所述光耦合器2的输出端分别连接有光输出通道103和光输出附加波导(用来将多模干涉区中的散射光引导到光路反馈单元中)；

所述光路反馈单元4的一端分别与所述光输出附加波导连接，并且所述光路反馈单元4的另一端分别与所述第一调制移相臂107和所述第二调制移相臂108连接，其中：

将调制信号(比如光脉冲)输入到所述第一调制移相臂107和所述第二调制移相臂108的RF输入端，利用与(第一/第二)光传输波导平行的光输出附加波导，收集从多模干涉区溢出的光，并传送到光电探测器112(优选为PIN二极管)中，光电探测器112输出的电压信号经过模数转换器ADC114采集转化成数字信号，利用单片机控制算法处理后求得偏置电压，再通过模数转换器DAC116转换成直流电压信号，输入到由所述第一调制移相臂107和所述第二调制移相臂108构成的MZI相位调制器的DC端，反馈控制所述第一调制移相臂107和所述第二调制移相臂108的偏置点。

具体的是，所述光分束器1、所述第一调制移相臂107、所述第二调制移相臂108和所述光耦合器2依次级联构成MZI干涉仪；

所述光分束器1和所述光耦合器2均为多模干涉(MMI)结构，所述光分束器1的多模干涉区的适当位置引入掺杂区(即滤波器)，并且利用掺杂区的热光或电光效应产生折射率的变化来实现任意功分比的光功率输出，以调整微分器最终输出的微分阶数。

更具体的是，当MZI干涉仪中光耦合器2的输入端(即第一/第二光传输波导传输的)两束光反相时，光耦合器2中的光形成干涉相消，此时在MZI的谐振频率附近会有很好的线性的幅频响应曲线，在载波频率处达到最低点，同时在相位频率响应上，使从光分束器1中输出的两束光始终保持π的相位差，以实现对输入光的微分，对于分数阶微分器，更加关注相位响应的准确性，而幅频响应则不需要完全匹配。因此，可以通过调整MZI中两束光的强度差，实现分数阶微分器的相位响应。

进一步的是，单片机115控制算法具体实施为：

步骤1：初始化：设置初始设定值为设定偏置电压值与特性曲线Null点对应的偏置电压的差值；

步骤2：探测干涉信号：使用光电探测器112扫描传输曲线，将光信号转换为电信号，检测光电探测器112的输出电压；

步骤3：反馈控制：根据模数转换器ADC114输出的数据判断电压，若电压远大于上一次采集值，则删除该数据，反之认为该电压值有效，比较此电压与预设的电压值，根据差异来调整所述第一调制移相臂107和所述第二调制移相臂108的控制电压，实现闭环反馈控制；

步骤4：重复步骤2-3：循环执行上述步骤，以实现稳定的相位调制和反馈控制。

更进一步的是，设置多个(两个及以上)光输出附加波导，对应的多个光电探测器串联，使得光输出附加波导的输出链路中最终光电压为多个光电探测器探测的光电压之和。

优选地，光场微分器的平均光功率反馈为反馈电压，当反馈电压小于或大于设定阈值时，对相应的最佳偏置电压进行调整。

优选地，所述第一调制移相臂107和所述第二调制移相臂108用于获取光电探测器反馈的电压值，并根据电压值进行偏压控制，使得在工作波长处的光经所述第一调制移相臂107和所述第二调制移相臂108调制后实现反相。

优选地，所述光路反馈单元4包括光电探测器112、滤波器113、模数转换器ADC114、单片机115、数模转换器DAC116、信号发生器117和加法器118，其中：

光电探测器112的一端与光输出附加波导连接，并且光电探测器112的另一端依次通过滤波器113、模数转换器ADC114、单片机115、数模转换器DAC116和加法器118后分别与第一调制移相臂107和第二调制移相臂108连接，信号发生器117与加法器118连接。

优选地，第一光传输波导105、第二光传输波导106、光输入通道101、光输出通道103和光输出附加波导为条形或脊型结构。

优选地，第一光传输波导105和第二光传输波导106的输入/输出端、光输入通道101的输出端、光输出通道103的输入端和光输出附加波导的输入端为锥型结构，以减小光的传输损耗。

优选地，波导层材料可以为铌酸锂、二氧化硅或氮化硅。

如图1和图2所示，本发明设计了一种硅基光子集成的MZI型分数阶可调光场微分器，包括光分束器1，光耦合器2，相移臂(包括第一调制移相臂107和第二调制移相臂108)和光路反馈单元4。光场微分器整体架构置于衬底硅上，采用标准220nm硅光工艺，波导层材料为二氧化硅。

如图3所示为本发明相移臂部分波导和电极结构示意图。PN结嵌入在硅绝缘体上的光波导中。高掺杂区域位于PN结旁边，远离波导中心，以避免光吸收损耗过高。它们通过SiO2隔离层上的孔与电极连接。

其中光分束器、相移臂和光耦合器依次级联构成马赫-增德尔干涉仪。光分束器和光耦合器均为1×2多模干涉(MMI)结构，分束器的多模波导处引入折射率调制区，使光分束器实现光功率的可调功分比输出，以实现微分器微分阶数的调整；分束器与耦合器相连接的光传输波导上附有能负载信号的相移臂，使从分束器中输出的两束光始终保持π的相位差，以实现对输入光的微分；在合束器的多模干涉区末端引入光路反馈系统，即一个与输出波导平行的输出附加波导，以收集从多模干涉区溢出的光，并传送到光电探测器中，光电探测器将探测到的光信号转换为电信号反馈到相移臂。

设置多个(两个及以上)光输出附加波导并相应地连接多个光电探测器实现电压探测值在计算上的累加效果，提高检测响应度，从而避免电压值不足影响具体分析过程，而过多的光传输附加波导会增加组件数量和体积。因此，在图1、图2的实施例中，设置了两个光输出附加波导，即第一光输出附加波导109和第二光输出附加波导110。相应地，使用第一光电探测器和第二光电探测器分别与光输出附加波导连接。

本发明的微分器原理是：当MZI干涉仪中耦合器的输入端两束光反相时，耦合器中的光形成干涉相消，此时在MZI的谐振频率附近会有很好的线性的幅频响应曲线，在载波频率处达到最低点，同时在相位频率响应上会有π相位的跳变，可以用来实现一阶光场微分器。对于分数阶微分器，更加关注相位响应的准确性，而幅频响应则不需要完全匹配。因此，可以通过调整MZI中两束光的强度差，实现分数阶微分器的相位响应。

本验证例采用时域有限差分法进行计算分析,仿真计算中用到的主要参数有:二氧化硅波导层的刻蚀深度为0.22μm，直波导宽度为0.9μm，锥形波导长度为10μm，锥形波导的宽度由0.9μm渐变至1.6μm，多模干涉耦合器两输入波导的中心距离为2.67μm，MMI波导的长度和宽度分别为5μm和15.5μm，输出波导位于MMI波导中心处，多模干涉耦合器两输出附加波导的中心距离为3.8μm，输出附加波导的宽度为0.4μm。

图4为本发明的工作点反馈控制原理图。利用与输出波导平行的输出附加波导收集从多模干涉区溢出的光，并传送到光电探测器PIN中，PIN输出的电压信号输经过模数(AD)采集转化成数字信号，利用单片机控制算法处理后求得偏置电压，再通过模数转换器DAC转换成直流电压信号输入到调制器的DC端，反馈控制MZI相位调制器的偏置点。

图6(a)、(b)为本发明的光场微分器计算得到输出端口幅频、相频曲线。根据设计,微分器的工作波长为1559.9nm。可以看出,微分器在1559.93nm处实现了微分处理,且微分阶数小于1。通过施加调制,微分器的频率响应发生相应的改变,如图7(a)、(b)所示,其中蓝线为1阶微分结果,其他线为高阶微分结果,可以说明可调微分器的功能。

值得一提的是，本发明专利申请涉及的MZI等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明专利的发明点所在，本发明专利不做进一步具体展开详述。

对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。