引用本文:
孙凌云,张文甲,杨帆,等. 基于正交微扰信号的微环阵列稳定控制技术[J]. 光通信技术,2021,45(9):54-58.
孙凌云,张文甲*,杨 帆,何祖源
上海交通大学 区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室,上海 200240
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要:为了解决由热效应引起的硅基微环器件工作状态不稳定的难题,提出了一种基于微环谐振器阵列低速正交微扰信号的大规模光子集成电路实时稳定控制技术,通过建立数值仿真模型验证了该方案能够通过单个检测通道实现对不同信道状态信息进行有效提取,并搭建了正交解调系统进行实验验证。仿真和实验结果证明,该方案能够实现大规模光子系统的稳定控制。
关键词:微环谐振器;正交解调;波长锁定;稳定控制;光电融合
中图分类号:TN256 文献标志码:A 文章编号:1002-5561(2021)09-0054-05
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2021.09.013
0 引言
微环谐振器是使用光波导作为光的传输介质、弯曲波导首尾相连构成的环形谐振器。由于微环谐振器具有优异的光学特性以及小尺寸、低功耗的优势,被广泛应用于光互连[1-2]中。受限于硅基材料热光系数较高,硅基微环在实际工作中极易因环境温度变化发生波长失谐,导致系统偏离最佳工作状态。因此,实现微环谐振器的波长锁定一直是科研人员密切关注的课题。
基于微环的应用系统可分为单环系统和多环系统。对于单环系统,实现波长锁定包括开环锁定、闭环锁定2种方式。开环锁定方案一般通过使用负热光系数的材料[3]或者结构设计[4]补偿热变化,虽然能有效降低温度变化产生的影响,但是新材料的引入和大面积器件的应用限制了量产、集成化的可能性,同时难以实现实时调谐。目前,闭环锁定是主流控制方案,一般通过闭合回路对微环添加反馈信号使其产生实时应变,反馈算法有比例-积分-微分(PID)[5-8]、微扰信号解调[9]、零差检测[10-11]、斜率检测[12]和阈值检测[13-14]等算法。近年来,神经网络也开始广泛应用于光学领域[15]。这些方法中,只有微扰信号解调算法具有"标识性",是实现单检测端口提取多通道信息的有力工具。
多环系统相较于单环系统,存在不同光路的区分、系统复杂度的增加和功耗增加等问题,大大限制了光子集成电路由"器件"级到"系统"级的发展。考虑到降低功耗的需求,系统中应该用尽可能少的光电探测器(PD)检测尽可能多的微环。贝尔实验室在2017年分别基于波分复用发射器[16]及波分复用接收器[17]提出了2种多维高速微环调制器稳定控制方案,均采用单个探测器提取信息,使用阈值检测方法分别检测射频(RF)最大值及直流(DC)最小值,以保证各微环正常工作。这2种方案存在的明显缺陷是无法判断发生波长偏移的具体微环而需对所有微环进行持续调控直至达到阈值,这样不仅增加了功耗而且降低了稳定速度。
为此,本文提出一种基于正交微扰信号的微环阵列锁定技术,仅通过单个PD完成微环阵列信息提取并能精准地控制偏移微环。
3 结束语
本文提出了一种基于低速正交微扰信号的微环阵列实时稳定控制技术,分别从仿真和实验角度验证了微扰信号满足正交要求时可实现通过单个检测通道完成多个微环状态信息的正确提取。此方案不仅可以应用于微环阵列场景,低能耗、低复杂度优势使其在实现任意大规模光子集成电路的稳定控制上均具有巨大潜力,有利于推动光电集成技术的发展。