一种基于光子集成芯片的光信号损伤均衡器

技术领域

本发明属于集成光学、光通信领域。具体而言，涉及一种基于光子集成芯片的光信号损伤均衡器。

背景技术

光纤通信网络在当前各种信息交换场景中占有重要的基础地位，随着近年来大数据、云服务等技术的发展，对于光通信容量与传输速的提升需求增长迅速，但是，光信号在传输中由于受到由光器件和光纤链路本身制造工艺和器件特性的影响，受到一系列线性和非线性损伤，包括损耗、色散、非线性效应，导致信号严重失真和恶化，限制了光通信传输能力进一步提升。目前主流的光学信道补偿方案是在接收端使用数字信号处理器(DSP)对信号的损伤进行补偿，主要思想是根据信道参数求解非线性薛定谔方程，虽然此种方案能够实现非线性损伤补偿，但是需要进行大量的运算，并且需要光传输系统的精确参数才能保证计算正确，从而导致较大的时间延迟。此外由于电学域数字计算受冯·诺依曼架构的影响，其损伤信号处理的带宽受限，不能充分发挥光学通信大带宽的优势。

光子集成储备池计算信道均衡芯片是基于光学干涉原理实现的储备池计算架构，通过光学集成器件之间相互配合，使光学集成芯片实现储备池计算。储备池计算结构需要训练的权重只有读出层一层，权重数量少且训练简单十分适合高速、大容量通信系统的信道均衡。因为绝大部分信道均衡计算任务被置于全光结构之中完成，既避免了电域数字计算所面临的带宽不足问题，也解决了电域计算参数数量多，延时量高的缺点。

Ashner等人提出了一种用微环谐振器实现的光子集成储备池芯片结构，利用光子集成微环作为储备池计算的核心节点产生光信号的干涉效应。Katumba等人提出了一种利用16个多模干涉仪MMI作为储层节点的光子集成储备池芯片结构，该结构只将输入层和储层部分采用光子集成实现，读出层的权重训练和计算仍然采用电域方案实现，依旧受到电计算带来的延时和带宽限制，而且MMI占据片上面积较大，造成片上面积的浪费。因此，需要寻找一个更加紧凑的全光域实现的光子集成储备池芯片结构方案，以光学读出层代替电学读出层结构。

发明内容

基于现有技术的问题，本发明的目的在于提出一种基于光子集成芯片的光信号损伤均衡器，以实现大带宽、低延迟的信道均衡。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种光子集成储备池计算信道均衡芯片，包括输入层、储层和读出层。输入层由光栅耦合器和树状排列的定向耦合组成，用于实现损伤信号的输入耦合和分束，外部损伤光信号通过光栅耦合器耦合到光子集成芯片上并且在树状结构处等分为同幅度同相位的16路光信号，此16路光信号作为储层节点结构的输入；储层由交替排列的干涉节点和延时线波导组成，呈矩形网状排列，用于实现同一损伤信号不同时间间隔处信号的混合叠加，以扩展损伤光信号的数据深度，便于挖掘损伤信号的损伤特征，储层由节点处输出16路光信号作为读出层输入，干涉节点由定向耦合器构成，干涉节点小于四个端口的时候使用一个定向耦合器器件，干涉节点大于四个端口小于六个端口的时候采用三个定向耦合器呈三角形首尾相接构成；读出层由光调制器、树状排列的定向耦合器、光电探测器组成，用于实现光学权重的添加，完成权重添加后信号的合束并接收得到最终均衡后电信号。

一种外部光学权重训练控制模块，其与光子集成储备池计算信道均衡芯片的电信号输入端口相连接，以实现权重的训练和调控。该光学权重训练控制模块包含两段式粒子群优化算法模块和光学调制器电压控制模块两部分。两段式粒子群优化算法模块用于从光子集成储备池计算芯片的输出均衡信号中计算误码率，计算均衡信号和损伤信号之间的均方误差，然后以误码率值和均方误差值为基础通过多次迭代训练光学权重值。根据光学权重值，光学调制器电压控制模块输出相应电压到光学调制器上，实现光学权重的加载。两段式粒子群优化算法是一种群智能参数寻优技术，训练分为两个阶段，在第一阶段以较大步长、较多粒子数完成损失函数的快速收敛，第二阶段使用较小步长、较少粒子数实现光学权重的精细寻优。光调制器电压控制模块用于产生上述两段式粒子群算法得出的光学权重值所对应的电压值，其与光子集成储备池计算芯片上电端口相连接，输出可调的直流电压信号到电端口，以实现对光调制器的控制。

附图说明

图1为光子储备池信道均衡器结构示意图；

图2为光子储备池储层定向耦合器示意图；

图3为光子储备池读出层光调制器示意图；

图4为光信号损伤产生和均衡系统示意图；

图5为两段式粒子群光学权重训练算法流程图。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好的理解本发明方案，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作进一步描述。

本发明公开了一种基于光子集成芯片的光信号损伤均衡器，如图1所示。本发明基于光子集成芯片的光信号损伤均衡器的一个优选实施例包括光子集成储备池计算信道均衡芯片(1)和外部光学权重训练控制模块(2)。

光子集成储备池计算信道均衡芯片将光学输入层(1-1)、储层(1-2)、读出层(1-3)使用光学结构实现。其中包括的光栅耦合器(1-1-1)、定向耦合器(1-1-2)(1-3-2)、干涉节点(1-2-1)、延时线波导(1-2-2)、光调制器(1-3-1)、光电探测器(1-3-2)都置于同一个芯片上实现。定向耦合器的结构如图2所示，具有4个端口，分别是(17)，(18)，(19)，(20)一个光学信号干涉区域(21)，其分光比为50：50。光调制器的结构如图3所示，为单臂MZ调制结构，具备两个端口(22)，(23)，两个移相器，(24)，(25)，移相器受到外部电信号(26)，(27)的控制，光电探测器将光信号转变为电流信号。

在输入层光学节点部分使用光栅耦合器匹配光纤与集成波导中的模斑大小，将损伤光信号(14)耦合到光子集成芯片中。因为集成光栅耦合器和波导是偏振敏感的，所以使用TE模的损伤信号从光纤输入光栅耦合器，然后使用单输入定向耦合器阵列16等分后分别连接图1中储层的各个输入节点。

16路光信号经过输入层之后流入储层，延时线给储层不同位置输入的光信号按照不同的信号路径添加不同的延时量，然后两路带有不同延时量的损伤信号汇聚于节点处通过干涉效应交换彼此携带的信息。因为储层是4×8矩形连接的，信号在其中以螺旋状传播并循环往复，其不停的与其他时刻的损伤信号交换信息，扩展了损伤信号的信息的维数。最后由储层16个节点输出了这些带有不同时刻损伤信息的储层输出信号作为读出层的输入。

光信号进入读出层后经过光学调制器添加上光学权重，然后经过树状排列的定向耦合器进行合束，最后使用光电探测器作为光信号的接收，并且利用其光转电的非线性特性，将其用作最后输出层输出信号的激活函数。最终的均衡后的电信号(15)由光电探测器输出，一部分作为外部光学权重训练控制模块的输入，经过两段式粒子群优化算法模块(2-1)和光调制器电压控制模块(2-2)之后变为控制电压(16)输出。

整体光学损伤信号均衡系统如图4所示，损伤信号是由激光器、调制器、单模光纤和掺铒光纤放大器(EDFA)产生的复合损伤信号。损伤信号经过光信号损伤均衡器之后损伤部分被均衡掉，然后输出均衡后的电信号。

本发明提供了一种基于两段式粒子群优化算法的全光域光学权重的训练方法，部署在光子储备池芯片连接的外部控制电路模块上。所述训练算法的光学权重训练流程如图5所示。首先，输入两个训练阶段的超参数，然后开始进入第一阶段，包括初始化粒子种群、粒子的速度和位置、迭代次数、适应度函数等参数。其中适应度函数综合考虑了信号波形状态和信号误码率两部分影响因素。计算粒子群的适应度值，并且以此为参考迭代更新粒子群位置，直到满足循环条件进入第二阶段。第二阶段的粒子使用第一阶段中较优适应度的一部分粒子，并以较小步长精细搜索，其具体迭代更新流程与第一阶段相同，直到满足条件后跳出循环并输出最优的光学权重值。

本发明的有益效果具体如下：

本发明提供了一种基于光子集成芯片的光信号损伤均衡器，损伤的信号经过光子储备池结构，在储层中完成损伤信息交互。利用两段式粒子群光学权重训练算法，实现了对光子储备池储层中光学权重的训练和调整，光子集成储备池结构通过学习光通信信道中的损伤状态，实现大带宽、低延时、低功耗的高速光域信道均衡。