一种基于数字光学位相共轭原理的光开关阵列芯片的利记博彩app
【专利摘要】本发明公开了一种基于数字光学位相共轭原理的光开关阵列芯片，它采用多模干涉器和数字光学位相共轭反射器组成1×（M1-2）×K1三级光开关子系统，再由q个1×（M1-2）×K1三级子系统纵向串接组成1×M×K1二级光开关子系统，进一步由p个1×M×K1二级光开关子系统和p-1个连接器横向串接组成1×M×K一级光开关子系统，最后连接到N根输入光波导的N个1×M×K一级光开关子系统共享M根输出光波导，并联组成一个N×M×K光开关阵列，该光开关阵列利用数字光学位相共轭原理，可以对K个不同波长进行无阻塞光交换，特别适用于光通讯网络节点的光交换、光交叉互联，也可用于芯片之间以及光计算机内部的光互联。
【专利说明】一种基于数字光学位相共轭原理的光开关阵列芯片
【技术领域】
[0001]本发明涉及光通讯与光集成【技术领域】，更具体地涉及一种基于数字光学位相共轭原理的光开关阵列芯片，特别适用于光通讯网络节点的光交换、光交叉互联，也可用于芯片之间以及光计算机内部的光互联。
【背景技术】
[0002]随着光纤骨干通讯网的建立和光放大技术与密集波分复用(DWDM)技术的发展，限制光通讯网络速度和容量的瓶颈已经从网络节点之间的信息传输，转移到网络节点的信息交换。目前，网络节点的信息交换仍然需要在电域完成。输入光信号首先需要转换成电信号，然后进入电子交换系统；经过电域交换后，再转换成输出光信号。信号从源端出发到目的端，往往需要经过很多个网络节点，在每个网络节点的光电-电光转换要耽搁很多时间，显然比光信号直接以光速从源端传输到目的端要慢得多。要保证光信号从源端到目的端的直接光速传输，必须在网络节点实现光域直接交换。
[0003]在光域直接进行交换需要采用光开光。目前有很多种类的光开关，如机械对准式光开关、液晶光开关、空间光栅光开关、光集成光开关等等。在这些光开关中，有些速度有限，只能达到毫秒量级，如机械对准式光开关、液晶光开关等。有些需要占用较大三维空间，并精确对准，组装复杂，不适合大规模集成，如空间光栅光开关等。在光集成光开关中，人们常将方向稱合器、Mach-Zender干涉器制作成2X2光开关,然后用大量2X2光开关组合成大型光开关阵列，这种光开关阵列往往具有阻塞效应，而且2X2光开关之间需要采用弯曲光波导连接导致系统整体尺寸增加，另外光开关阵列没有波长选择性，每个光开关阵列只容许一种波长同时工作、在光开关阵列前后必须分别配备波分解复用器和波分复用器，使得系统整体结构复杂。共振环干涉器光开关具有波长选择性，但共振环干涉器光开关对加工误差特别敏感，共振环半径的微小变化就会导致共振条件失效或偏离，而且一个共振环干涉器只针对一个波长，搭建大型光开关阵列需要大量共振环干涉器，同样导致系统结构非常复杂。发明专利“适于全光网络的波长选择性光开关阵列及其方法”(专利号:ZL03127962.7)提出了一种采用基于阵列波导干涉器或波长选择性光开关搭建光开关阵列方法。但所搭建的光开关阵列的尺寸非常大，例如，如该发明说明书图1所示，如果单个基于阵列波导干涉器或波长选择性光开关的长度为I毫米，一根输入光波导中有64个波长，需要输出到64根不同的输出光开关,则对每一个光波长，该方法需要64级纵向排列、且水平方向错开的基于阵列波导干涉器或波长选择性光开关，总横向排列宽度达到64毫米。对64个波长整个阵列宽度达到64X64=4096毫米，如果考虑缓冲级，整个阵列宽度还会增加。显然如此大尺寸阵列无法集成到一块基片上。或者所搭建的光开关阵列要求单个波长选择性光开关的通带宽度特别窄，例如，如该发明说明书图2所示，由于所有波长都在同一水平光波导上传播，从其中选择一个波长送到下一级，而不影响其它波长，则需要对每一个波长选择性光开关施加控制电压后其中心波长仅改变一点点，而且改变这一点点后就对原来的工作波长完全截止，这要求每个波长选择性光开关的通带宽度都特别窄，至少为相邻两个波长间隔宽度的1/16甚至更窄。构造如此窄的波长选择性光开关会导致其长度增加很多倍，制造难度增加。而且在实际中，施加控制电压后对原来的工作波长不会完全截止，将导致串扰显著增加。
[0004]发明专利“主动光学位相共轭方法及装置”(专利号:200610124657.4)提出了一种利用不依赖于非线性光学介质、通过数字化控制实现光学位相共轭的方法，它将输入光波分解为一系列单模光波导中的基模，然后在每根单模光波导中重建出上述基模的共轭光波，由于光路可逆性原理，这些光波逆向传播，从而重建恢复出原始输入光波。在指定位置重建光波正是光开关所要达到的目的，所以采用数字(用“数字”代替“主动”用词更恰当)光学位相共轭方法，可以构建光开关。上述发明给出了一些光开关设计示例，但这些设计只适合小型光开关，本发明是上述专利的延伸，重点解决如何采用大量基于数字光学位相共轭原理的小型光开关组合成大型光开关阵列，且尺寸相对较小，可以把整个大型光开关阵列制作在单块光集成芯片上(System On Chip, SOP)。同时改进单个小型光开关的性能,使其偏振敏感性低、制造容差大、工作带宽大。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种基于数字光学位相共轭原理的、具有波长选择性、尺寸相对较小、偏振敏感性低、制造容差大、工作带宽大的大型光开关阵列集成芯片。
[0006]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0007]—种基于数字光学位相共轭原理的光开关阵列芯片，包括:
[0008]M根输出光波导(CVM)，M大于等于2 ;
[0009]N根输入光波导(I1,), N大于等于I,每根输入光波导接收K个不同波长光信号(A1-AkXK大于等于1，并连接到一个I XMXK —级光开关子系统，该I XMXK —级光开关子系统将K个不同波长光信号(A1-A κ)根据其预定目的地分别送到M根输出光波导(CVm);N个I XMXK —级光开关子系统共享M根输出光波导(CVm)，组成一个NXMXK光开关阵列；
[0010]所述IXMXK —级光开关子系统由P个IXMXKl 二级光开关子系统和ρ_1个连接器横向串接组成，P大于等于1，每个I XMXKl 二级光开关子系统分别只处理K个波长中的Kl个不同波长，Kl大于等于1，相邻两个IXMXKl 二级光开关子系统通过一个连接器串结在一起，所述连接器为多模干涉器或Y型结集线器，该连接器收集尚未处理的波长信号并送给后续IXMXKl 二级光开关子系统进行处理；
[0011]所述IXMXKl 二级光开关子系统由q个IX (M1_2)XK1三级子系统纵向串接组成，q大于等于1，每个IX (Ml-2) XKl三级光开关子系统分别只处理同样的Kl个不同波长，并根据其预定目的地分别送到M根输出光波导中的M1-2根输出光波导中，Ml大于等于4，相邻两个IX (Ml-2) XKl三级光开关子系统左右相对排列，上一个IX (M1_2)XK1三级光开关子系统的最后一根输出单模光波导连接到下一个IX (Ml-2) XKl三级光开关子系统的第一根输入单模光波导；
[0012]所述IX (Ml-2) XKl三级光开关子系统包括Ml XBl多模干涉器和KlXBl个数字光学位相共轭反射器，BI大于等于2，MlXBl多模干涉器一侧连接Ml根单模光波导，其中第一根单模光波导作为输入单模光波导，其余Ml-1根单模光波导作为输出单模光波导；MlXBl多模干涉器的另一侧连接BI根单模光波导，其中每根单模光波导上制作有Kl个数字光学位相共轭反射器，每个数字光学位相共轭反射器对Kl个波长中的一个波长信号进行处理，根据其预定目的地、通过数字光学位相共轭反射把该波长信号送到M1-2根输出光波导中的一根输出光波导；
[0013]所述数字光学位相共轭反射器包括依次串接的位相调节器、一个分布式布拉格光栅和一个互补位相调节器，其中位相调节器离MlXBl多模干涉器最近，而互补位相调节器离Ml XBl多模干涉器最远；分布式布拉格光栅对Kl个波长信号中的一个波长信号进行反射，位相调节器对反射前后的光波信号进行位相调节，使其满足光学位相共轭关系，从而把反射后的波长信号根据其预定目的地送到M1-2根输出光波导中的一根输出光波导；同时通过互补位相调节器对穿过分布式布拉格光栅的波长信号进行位相调节，并保证互补位相调节器做出的位相调节量与位相调节器所做出的位相调节量之和为常数，使得穿过分布式布拉格光栅的光波信号经历恒定的位相变化。
[0014]按照从小到大的顺序对波长进行编号，从第一个IXMXKl 二级光开关子系统开始，将序号为奇数的波长依次分配给每个I XMXKl 二级光开关子系统，每个I XMXKl 二级光开关子系统针对所分配得到的Kl个波长设计数字光学位相共轭反射器；当所有序号为奇数的波长分配完毕后，按照从小到大的顺序对未分配的波长重新进行编号，将序号为奇数的波长依次分配给后续IXMXKl 二级光开关子系统，每个IXMXKl 二级光开关子系统针对所分配得到的Kl个波长设计数字光学位相共轭反射器；按照上述规律进行循环，直至未分配的波长数目小于等于K1，停止循环分配；将剩下的波长分配给第ρ个IXMXKl 二级光开关子系统，第P个I XMXKl 二级光开关子系统针对所分配得到的波长设计数字光学位相共轭反射器。
[0015]连接器为一个多模干涉器或Y型结集线器，包括一根输出单模光波导和BI根输入单模光波导，每根输入单模光波导上设置有一个位相调节器，其中输出单模光波导连接到后一级I XMXKl 二级光开关子系统,作为其输入，而BI根输入单模光波导分别连接到前一级IXMXKl 二级光开关子系统的第一个IX (Ml-2) XKl三级光开关子系统的Ml XBl多模干涉器的BI根单模光波导，控制每根输入单模光波导上的位相调节器，使得所有光波到达输出单模光波导，并实现最大光信号输出。
[0016]相邻两个IX (M1_2)XK1三级光开关子系统中，MlXBl多模干涉器的BI根单模光波导上的Kl个数字光学位相共轭反射器，按照其离MlXBl多模干涉器的距离由近到远的横向排列顺序相反。
[0017]在每个IXMXK—级光开关子系统的所有ρ个IXMXKl 二级光开关子系统中，所有IX (M1-2)XK1三级光开关子系统的MlXBl多模干涉器的输出目的地相同的输出单模光波导通过一个Y型结耦合连接到同一水平干线单模光波导，所有Y型结和水平干线单模光波导制作在与MlXBl多模干涉器所在光波导平面相邻的光波导平面中，每个Y型结的分支通过方向耦合器耦合到MlXBl多模干涉器的一个输出单模光波导，选择每个Y型结的分支与上述水平干线单模光波导的连接方向，使得从Y型结的分支进入同一水平干线单模光波导的光波的传播方向与该水平干线单模光波导中其他光波的传输方向一致。
[0018]所有水平干线单模光波导采用光增益材料制作，泵浦光(λρ)沿信号光传播方向输入水平干线单模光波导。[0019]在每个IXMXK—级光开关子系统的ρ个IXMXKl 二级光开关子系统中，所有IX (M1-2)XK1三级光开关子系统的Ml XBl多模干涉器的第一根输入单模光波导上串接一个半导体光放大器。
[0020]所有N个I XMXK —级光开关子系统中，输出目的地相同的水平干线单模光波导通过一根外部光纤或一个外部光放大器连接到同一输出输出光波导((Vm)。
[0021]所有数字光学位相共轭反射器的位相调节器和互补位相调节器的控制电极分割为r段子电极，在r段子电极中，每一段子电极的长度是前一段子电极的长度的二倍，每一段子电极通过一个开关晶体管连接到一个恒压电源，使得位相调节精度达到1/^ ；
[0022]开关晶体管及其驱动电路制作在半导体基片上，并与位相调节器所在光波导平面贴合在一起。 [0023]本发明提出的大型光开关阵列集成芯片采用数字光学位相共轭原理。光学波前形状相同而方向相反的两个光波，其复振幅呈共轭关系，例如，沿z轴正向传播的平面波，其复振幅为exp (-1kz)，而沿z轴负向传播的平面波，其复振幅为exp (ikz)，两者正好呈共轭关系。换句话说，一个光波的共轭光波将原路返回，光学位相共轭体现了光路的可逆性。但是对一个复杂光波，很难直接重建出其共轭光波。发明专利“主动光学位相共轭方法及装置”(专利号:200610124657.4)的核心思想是采用特殊的绝热光波导结构将输入光波分解为一系列简单基模，而这些简单基模的共轭光波可以通过人工数控方式重建，一旦这些简单共轭光波重建出来，由于光路可逆性原理，它们逆向传播，即可重建恢复出原始输入光波。利用这种在指定位置重建光波的能力可以构建光开关。上述发明，参见该发明说明书图7，展示了如何利用星形耦合器、多重X结和重叠方向耦合器对输入光波进行分解。为了进一步改进单个光开关的性能，本发明将采用多模干涉器(MMI)对输入光波进行分解。采用多模干涉器至少可以带来如下四方面好处:第一，多模干涉器容许相对较大的制造误差；第二，多模干涉器具有相对较大的工作带宽；第三，多模干涉器对偏振不敏感；第四，多模干涉器可以对输入光波进行等强度分解，这样实现光开关只需要进行位相调节，不需要振幅调节，从而可以简化器件结构。
[0024]下面简单介绍数字光学位相共轭原理，给出光开关过程中复振幅调节量计算公式。假设一个多模干涉器其左侧有Ml根单模光波导，右侧有BI根单模光波导，在右侧BI根单模光波导上针对每个工作波长制作有一个数字光学位相共轭反射器，而每个数字光学位相共轭反射器由一个位相调节器、一个分布式布拉格光栅和一个互补位相调节器依次串接组成。把多模干涉器左右两侧的光波场用列矢量表示为Elrft=[ai，a2，…aM1]T和Eright= Lb^b2,…，bB1]T，其中％和N分别为多模干涉器左右两侧单模光波导的基模展开系数。根据模式匹配理论，右侧的光波场EHght可以用左侧的光波场Elrft表示为，
[0025]Eright = TEleft (I)方程(I)中T为光波从左侧输入时多模干涉器的传输矩阵，它是一个BlXMl矩阵，可以写为，
[0026]
【权利要求】
1.一种基于数字光学位相共轭原理的光开关阵列芯片，其特征在于，包括: M根输出光波导(CVm), M大于等于2 ； N根输入光波导(Im)，N大于等于I,每根输入光波导接收K个不同波长光信号(A1-Ak), K大于等于1，并连接到一个I XMXK—级光开关子系统(13)，该I XMXK—级光开关子系统(13)将K个不同波长光信号(A1-Ak)根据其预定目的地分别送到M根输出光波导((Vm) ；N个IXMXK —级光开关子系统(13)共享M根输出光波导(CVm),组成一个NXMXK光开关阵列； 所述IXMXK—级光开关子系统(13)由P个IXMXKl 二级光开关子系统(9)和p_l个连接器(10)横向串接组成，P大于等于1，每个IXMXKl 二级光开关子系统(9)分别只处理K个波长中的Kl个不同波长，Kl大于等于1，相邻两个IXMXKl 二级光开关子系统(9)通过一个连接器(10)串结在一起，所述连接器(10)为多模干涉器(11)或Y型结集线器(14)，该连接器(10)收集尚未处理的波长信号并送给后续IXMXKl 二级光开关子系统(9)进行处理； 所述IXMXKl 二级光开关子系统(9)由q个IX (Ml_2) XKl三级子系统(8)纵向串接组成，q大于等于1，每个IX (Ml-2) XKl三级光开关子系统(8)分别只处理同样的Kl个不同波长，并根据其预定目的地分别送到M根输出光波导中的M1-2根输出光波导中，Ml大于等于4，相邻两个IX (Ml-2) XKl三级光开关子系统(8)左右相对排列，上一个IX (Ml-2) XKl三级光开关子系统(8)的最后一根输出单模光波导连接到下一个IX(Ml-2) XKl三级光开关子系统(8)的第一根输入单模光波导； 所述IX (Ml-2) XKl三级光开关子系统(8)包括MlXBl多模干涉器(I)和Kl XBl个数字光学位相共轭反射器(2)，BI大于等于2，MlXBl多模干涉器(I) 一侧连接Ml根单模光波导(3)，其中第一根单模光波导作为输入单模光波导，其余Ml-1根单模光波导作为输出单模光波导；M1XB1多模干涉器的另一侧连接BI根单模光波导(4),其中每根单模光波导(4)上制作有Kl个数字光学位相共轭反射器(2)，每个数字光学位相共轭反射器(2)对Kl个波长中的一个波长信号进行处理，根据其预定目的地、通过数字光学位相共轭反射把该波长信号送到M1-2根输出光波导中的一根输出光波导； 所述数字光学位相共轭反射器(2)包括依次串接的位相调节器(5)、一个分布式布拉格光栅(6)和一个互补位相调节器(7)，其中位相调节器(5)离MlXBl多模干涉器(I)最近，而互补位相调节器(7)离Ml XBl多模干涉器(I)最远；分布式布拉格光栅(6)对Kl个波长信号中的一个波长信号进行反射，位相调节器(5)对反射前后的光波信号进行位相调节，使其满足光学位相共轭关系，从而把反射后的波长信号根据其预定目的地送到M1-2根输出光波导中的一根输出光波导；同时通过互补位相调节器(7)对穿过分布式布拉格光栅(6)的波长信号进行位相调节，并保证互补位相调节器(7)做出的位相调节量与位相调节器(5)所做出的位相调节量之和为常数，使得穿过分布式布拉格光栅(6)的光波信号经历恒定的位相变化。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字光学位相共轭原理的光开关阵列芯片，其特征在于，按照从小到大的顺序对波长进行编号，从第一个IXMXKl 二级光开关子系统(9)开始，将序号为奇数的波长依次分配给每个IXMXKl 二级光开关子系统(9)，每个IXMXKl二级光开关子系统(9)针对所分配得到的Kl个波长设计数字光学位相共轭反射器(2);当所有序号为奇数的波长分配完毕后，按照从小到大的顺序对未分配的波长重新进行编号，将序号为奇数的波长依次分配给后续I XMXKl 二级光开关子系统(9)，每个I XMXKl 二级光开关子系统(9)针对所分配得到的Kl个波长设计数字光学位相共轭反射器(2);按照上述规律进行循环，直至未分配的波长数目小于等于K1，停止循环分配；将剩下的波长分配给第P个IXMXKl 二级光开关子系统(9)，第P个IXMXKl 二级光开关子系统(9)针对所分配得到的波长设计数字光学位相共轭反射器(2 )。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字光学位相共轭原理的光开关阵列芯片，其特征在于，连接器(10)为一个多模干涉器(11)或Y型结集线器(14)，包括一根输出单模光波导和BI根输入单模光波导,每根输入单模光波导上设置有一个位相调节器(12),其中输出单模光波导连接到后一级IXMXKl 二级光开关子系统(9)，作为其输入，而BI根输入单模光波导分别连接到前一级IXMXKl 二级光开关子系统(9)的第一个IX (M1-2)XK1三级光开关子系统(8)的MlXBl多模干涉器(I)的BI根单模光波导,控制每根输入单模光波导上的位相调节器(12)，使得所有光波到达输出单模光波导，并实现最大光信号输出。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字光学位相共轭原理的光开关阵列芯片，其特征在于，相邻两个I X (Ml-2) XKl三级光开关子系统(8)中，Ml XBI多模干涉器(I)的BI根单模光波导上的Kl个数字光学位相共轭反射器(2)，按照其离MlXBl多模干涉器(I)的距离由近到远的横向排列顺序相反。
5.根据权利要求1所述的一种基于数字光学位相共轭原理的光开关阵列芯片，其特征在于，在每个IXMXK—级光开关子系统(13)的所有P个IXMXKl 二级光开关子系统(9)中，所有IX (Ml-2) XKl三级光开关子系统(8)的MlXBl多模干涉器(I)的输出目的地相同的输出单模光波导通过一个Y型结(17)耦合连接到同一水平干线单模光波导(16)，所有Y型结(17)和水平干线单模光波导(16)制作在与Ml XBl多模干涉器(I)所在光波导平面(18)相邻的光波导平面(19)中，每个Y型结(17)的分支通过方向耦合器(22)耦合到Ml XBl多模干涉器(I)的一个`输出单模光波导，选择每个Y型结(17)的分支与上述水平干线单模光波导(16)的连接方向，使得从Y型结(17)的分支进入同一水平干线单模光波导(16)的光波的传播方向与该水平干线单模光波导(16)中其他光波的传输方向一致。
6.根据权利要求1或5所述的一种基于数字光学位相共轭原理的光开关阵列芯片,其特征在于，所有水平干线单模光波导(16)采用光增益材料制作，泵浦光(λ ρ)沿信号光传播方向输入水平干线单模光波导(16 )。
7.根据权利要求1所述的一种基于数字光学位相共轭原理的光开关阵列芯片，在每个IXMXK—级光开关子系统(13)的ρ个IXMXKl 二级光开关子系统(9)中，所有IX(Ml-2) XKl三级光开关子系统(8)的Ml X BI多模干涉器(I)的第一根输入单模光波导上串接一个半导体光放大器(15)。
8.根据权利要求1或5所述的一种基于数字光学位相共轭原理的光开关阵列芯片,其特征在于，所有N个IXMXK—级光开关子系统(13)中，输出目的地相同的水平干线单模光波导(16)通过一根外部光纤(23)或一个外部光放大器连接到同一输出光波导((VM)。
9.根据权利要求1所述的一种基于数字光学位相共轭原理的光开关阵列芯片，其特征在于，所有数字光学位相共轭反射器(2)的位相调节器(5)和互补位相调节器(7)的控制电极分割为r段子电极(24)，在r段子电极(24)中，每一段子电极的长度是前一段子电极的长度的二倍，每一段子电极通过一个开关晶体管(25)连接到一个恒压电源，使得位相调节精度达到1/2\
10.根据权利要求1或9所述的一种基于数字光学位相共轭原理的光开关阵列芯片,其特征在于，开关晶体管(25)及其驱动电路制作在半导体基片(27)上，并与位相调节器(5)所在光波导平面(2 6 )贴合在一起。
【文档编号】G02B6/125GK103728693SQ201310728864
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月26日 优先权日:2013年12月26日
【发明者】李志扬 申请人:华中师范大学