本文是关于“硅基8×8光开关阵列芯片及高速驱动和校准电路研究”的详细报告，主要介绍了基于拓展双层网络（DLN）结构的硅基8×8光开关阵列芯片及其高速驱动与校准系统的设计与实现。以下是核心内容总结：

研究背景与动机：

背景：随着物联网、车联网和边缘计算等新兴应用的快速发展，数据处理需求激增，传统电交换技术在带宽和功耗上难以满足未来通信系统的需求。

动机：全光交换技术因其高带宽、低功耗等优势成为突破瓶颈的重要方向，大规模高速光开关芯片作为全光网络的核心器件，其性能直接影响整个系统的传输效率。

光开关阵列设计：

拓扑结构：采用拓展双层网络（DLN）结构，具有严格无阻塞特性，且校准步骤简单，有效抑制一阶串扰，将-25 dB串扰带宽提升至70 nm。

开关单元：使用马赫-曾德尔干涉仪（MZI）作为基本开关单元，结合载流子色散效应实现高速推挽驱动，通过热光移相器完成初始相位校准。

芯片构成：由112个2×2 MZI单元构成，每条光路包含6个开关单元，尺寸为13.8 mm × 2.76 mm，采用标准硅光工艺制备。

驱动控制电路：

电路设计：采用差分放大器和数/模转换器（DAC）构建驱动电路，FPGA产生控制信号，通过串并转换电路减少I/O资源占用。

推挽驱动：利用差分放大器产生两路互为反相的差分信号，实现高速推挽驱动，改善光开关的损耗和串扰性能。

仿真分析：通过Multisim软件对差分放大器及其外围电路进行仿真，确定最优增益系数Gd=0.12，确保电路稳定工作。

状态校准算法：

校准过程：采用一维搜索算法，通过FPGA控制DAC输出驱动电压至热光移相器，结合片上光电探测器（PD）反馈信号，动态调整驱动电压。

分级扫描：分为粗扫描和细扫描两步，粗扫描确定大致范围，细扫描提高精度，单个MZI单元校准时间仅需36 ms。

标定方法：通过实验测量代表性开关单元，确定平均工作电压，统一应用于所有单元，简化校准流程。

实验结果与分析：

MZI单元校准：对8个开关单元的PIN移相器进行标定，实测值与平均值偏差不超过±20 mV，表明工作电压一致性良好。

性能测试：在1 310 nm波长下，插入损耗约为9 dB，串扰水平约为-32 dB，路径切换响应时间为81 ns，-25 dB串扰带宽达到70 nm。

响应时间：通过FPGA控制信号调节，实现纳秒级路径切换，上升沿切换时间为2.5 ns，稳定时间17 ns；下降沿切换时间3.5 ns，稳定时间81 ns。

结论与展望：

研究成果：设计并实现了基于硅基拓展DLN结构的8×8高速光开关阵列芯片及其驱动控制系统，具有纳秒级路径切换能力，保持较低的插入损耗和串扰水平。

应用价值：在高速光交换系统中具有潜在的应用价值，为未来全光网络的发展提供了有力支持。

未来方向：可进一步优化驱动电路和校准算法，提高光开关阵列的性能和可靠性，满足更高带宽和更低功耗的需求。