一種光子交換芯片驅動裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于光通信技術領域，更為具體地講，涉及一種光子交換芯片驅動裝置。
【背景技術】
[0002] 隨著信息化進程的推進，信息通信網絡逐漸向全光交換網絡演進，大規模光子交 換芯片作為全光交換網絡的核心技術，已成為光信息處理領域的研究熱點，其中光交換功 能的實現離不開高速光子交換芯片的控制技術。光開關不僅在實現高速光局域網的重構、 路由時具有重要作用而且也是光交叉連接的重要器件。為了便于和光子器件集成，未來的 光開關技術以高速、大帶寬、低功耗、小尺寸為發展方向。
[0003] 基于馬赫-曾德干涉儀(MZI)以及微環等各種干涉結構的集成光交換芯片具有尺 寸小、集成度高等優點而受到廣泛關注。在硅基芯片中，載流子色散效應和熱光效應等物理 效應十分重要。載流子色散效應指的是載流子的注入或抽取導致光波導中自由載流子的變 化引起折射率的變化，具有高速、偏振不敏感以及折射率變化大等優勢，在光子交換芯片中 利用電控電壓來進行調節從而實現高速開關。熱光效應是利用光波導的折射率隨溫度變化 而變化，從而改變MZI兩臂光程差。在基于MZI開關中主要利用熱光效應來彌補工藝容差，調 節芯片的工作狀態。工藝容差在加工完成時已經確定，因此在特定溫度時初始的熱控電壓 也是可以確定的，但是隨著外界溫度的變化MZI兩臂的光程差也是會發生改變的，此時熱控 電壓也應該相應的發生改變。大規模光子交換芯片中涉及很多光開關單元，如何保證每個 光開關單元總能工作在最佳狀態，是一個具有挑戰性的問題，而且溫度的變化對于芯片來 說也難以直接測量的。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種光子交換芯片驅動裝置，采用 補償電壓來實現對光子交換芯片上光開關單元的穩定控制。
[0005] 為實現上述發明目的，本發明光子交換芯片驅動裝置包括開關控制電路模塊、芯 片偏置電路模塊、光性能監測模塊、補償電壓生成模塊和模擬運算電路模塊;其中：
[0006] 開關控制電路模塊根據光子交換芯片中光子交換路徑的配置信息，生成N個光開 關單元的控制信號；
[0007]芯片偏置電路模塊生成N個光開關單元的偏置電壓，將生成的偏置電壓輸出至模 擬運算電路模塊；
[0008]光性能監測模塊監測光子交換芯片中最后一級光開關單元中工作輸出端口的串 擾值，將串擾值發送給補償電壓生成模塊；
[0009]補償電壓生成模塊從光性能監測模塊得到各個工作輸出端口對應的串擾值，計算 工作輸出端口對應的整個交換路徑的補償電壓U2,按照交換路徑上每個光開關單元偏置電 壓的大小按比例對補償電壓U 2進行分壓得到每個光開關單元對應的補償分電壓，將交換路 徑上每個光開關單元的補償分電壓輸出至模擬運算電路模塊對應的模擬加法器；
[0010] 模擬運算電路模塊包括N個模擬加法器電路，分別對應每個光開關單元;第i個模 擬加法器電路從芯片偏置電路模塊接收對應的第i個光開關單元的偏置電壓，并從補償電 壓生成模塊接收到第i個光開關單元的補償分電壓，疊加后輸出至第i個光開關單元，i=l， 2，···，Ν〇
[0011] 本發明光子交換芯片驅動裝置，在常規的開關控制電路模塊和芯片偏置電路模塊 之外，新設置了光性能監測模塊、補償電壓生成模塊和模擬運算電路模塊;其中光性能監測 模塊檢測得到工作輸出端口的串擾值，補償電壓生成模塊根據串擾值計算得到工作輸出端 口所對應整個交換路徑的補償電壓，并按照交換路徑上各個光開關單元的偏置電壓按比例 分壓，得到各光開關單元的補償分電壓，模塊運算電路模塊中包含若干個模擬加法器電路， 每個模擬加法器電路對應一個光開關單元，模擬加法器接收芯片偏置電路模塊輸出的偏置 電壓和補償電壓生成模塊輸出的補償分電壓，疊加后輸出給對應的光開關單元。
[0012] 與傳統的光子交換芯片驅動裝置相比，本發明的有益效果是，在芯片偏置電路模 塊和開關控制電路模塊增加了由光性能監測模塊、補償電壓生成模塊和模擬運算電路模塊 組成的反饋控制電路，只需通過監測集成光交換芯片上最后一級的2X2光開關單元串擾性 能，并借助于補償電壓算法，就可以實現光子交換芯片上所有光開關單元的穩定控制，無需 直接測量芯片溫度，電路結構簡單，能夠保證光子交換芯片的實時工作性能。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發明光子交換芯片驅動裝置的【具體實施方式】結構圖；
[0014] 圖2是基于ΜΖΙ的16X16光子交換芯片結構圖；
[0015]圖3是2X2光開關單元的結構圖；
[0016]圖4是本實施例中光性能監測模塊的結構圖；
[0017]圖5是光子交換芯片中單個ΜΖΙ的校準曲線圖示例圖；
[0018] 圖6是基于硬件電路的補償電壓生成模塊的結構圖。
【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行描述，以便本領域的技術人員更好地 理解本發明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當已知功能和設計的詳細描述也許 會淡化本發明的主要內容時，這些描述在這里將被忽略。
[0020] 實施例
[0021] 圖1是本發明光子交換芯片驅動裝置的【具體實施方式】結構圖。如圖1所示，本發明 光子交換芯片驅動裝置除了常規的開關控制電路模塊1和芯片偏置電路模塊2外，還增加了 光性能監測模塊3、補償電壓生成模塊4和模擬運算電路模塊5。接下來分別對于各個模塊進 行詳細說明。
[0022] ?開關控制電路模塊
[0023]開關控制電路模塊1根據光子交換芯片中光子交換路徑的配置信息，生成Ν個光開 關單元的控制信號，以控制光開關的切換。其中Ν表示光子交換芯片中光開關單元的數量。 光子交換路徑一般是通過外部控制面板來配置的。本發明中開關控制電路模塊1的具體實 現方式與常規光子交換芯片驅動裝置的開關控制電路模塊相同，在此不再贅述。
[0024] ?芯片偏置電路模塊
[0025] 芯片偏置電路模塊2的主要作用是生成N個光開關單元的偏置電壓，以彌補工藝誤 差。芯片偏置電路模塊2的具體實現方式與常規光子交換芯片驅動裝置的芯片偏置電路模 塊相同，區別在于:在現有技術中芯片偏置電路模塊2生成的偏置電壓是直接輸出給各個光 開關單元的，而在本發明中，芯片偏置電路模塊1生成的偏置電壓輸出至模擬運算電路模塊 5〇
[0026] 圖2是基于MZI的16X16光子交換芯片結構圖。如圖2所示，該光子交換芯片一共有 16個輸入端口和16個輸出端口，采用七級BENES結構，共計56個光開關單元。在每個MZI(馬 赫-曾德爾）的干涉臂上都耦合加載了熱電阻和PIN二極管，因此需要56路電控電壓和56路 熱控電壓。電控電壓根據載流子色散效應通過改變加載在干涉臂PIN二極管上的電壓值來 實現交換單元的快速切換;熱控電壓根據熱光效應改變熱電阻上電壓來彌補芯片加工中的 工藝誤差。
[0027]對于基于MZI干涉結構的光交換集成芯片，從原理上講，由于加工工藝容差使得 MZI兩臂長LdPU不相等，施加熱控電壓之后，由于熱光效應使得光通過兩臂光程差為0,此 時有nLo^n+Anvh，得到交叉臂的透射率r = COS2〇^>/2；) = l，芯片處于最佳工作點。式 中η為折射率，△ nv為施加熱控電壓導致的折射率該變量。如果外界溫度變化使得(η+ Δ ητ) Lo矣（η + Δ ητ+ Δ nOU，同時會產生較明顯的串擾，具體表現為輸出端的串擾和直通臂輸 出端功率的變化，那么芯片工作點就發生了偏移，因此需要增加補償電壓，以實現對光開關 單元的穩定控制。
[0028]籲光性能監測模塊
[0029]光性能監測模塊3依次監測光子交換芯片中最后一級光開關單元中工作輸出端口 的串擾值，將串擾值發送給補償電壓生成模塊4。
[0030] 圖3是2X2光開關單元的結構圖。如圖3所示，如果信號光輸入為P，當輸出信號光 為直通端時直通端功率為Pn，交叉端口功率為P12，則串擾值C定義
；反之，如 果信號光從交叉端輸出，則串擾性能定義為
。也就是說，記工作輸出端口的輸出 功率為P，與其在同一光開關單元的輸出端口的輸出功率為P'，則工作輸出端口的串擾值
[0031] 串擾值的監測方式，也就是光性能監測模塊3的具體結構可以根據需要來確定。圖 4是本實施例中光性能監測模塊的結構圖。如圖4所示，本實施例中光性能監測模塊3包括監 測控制模塊31，兩個平衡光電探測器32,串擾值計算模塊33和濾波器34,兩個平衡光電探測 器分別連接所最后一級光開關單元中每個光開關單元的兩個輸出端口。其監測過程為:在 控制時隙，監測控制模塊31根據光子交換芯片中光子交換路徑的配置信息得到最后一級光 開關單元中工作輸出端口的序號，依次進行檢測。對于當前的工作輸出端口，如果其所在光 開關單元的另一個輸出端口為空閑，監測控制模塊31向兩個平衡光電探測器32發送控制信 號，檢測當前工作輸出端口與所在光開關單元的另一輸出端口的輸出功率;如果工作的輸 出端口所在光開關單元的另一個輸出端口也為工作端口，監測控制模塊31向開關控制電路 模塊1發送切換信號，關閉另一個輸出端口的輸入，然后向兩個平衡光電探測器32發送控制 信號，檢測當前工作輸出端口與所在光開關單元的另一輸出端口的輸出功率。兩個平衡光 電探測器將所檢測到的輸出功率發鎊給串擾值計算模塊33,串擾值計算模塊33根據串擾值 的計算公式計算得到串擾值，輸出至濾波器34。濾波器34對串擾值進行濾波，排除噪聲干 擾，然后輸出給補償電壓生成模塊4。
[0032] ?補償電壓生成模塊<