一种用于片上集成偏振无光开关的反馈控制系统及方法与流程 专利技术说明

摄影电影;光学设备的制造及其处理,应用技术1.本发明涉及片上光偏振态控制技术领域，尤其涉及一种用于片上集成偏振无关光开关的反馈控制系统及方法。背景技术：2.随着数据中心的快速扩展，对于低时延、低能耗、可扩展、可重新配置网络的需求越来越高，因此具有快速切换能力的全光交换机的数据中心网络已被广泛研究。与此同时，硅光子学成熟的制造工艺也为大规模光开关提供了强大的平台。3.目前用于数据中心交换或其他应用场景的光交换机都要求尽量低的偏振相关损耗(polarization dependent loss，pdl)，即做到偏振无关。为了降低光开关的偏振相关损耗，许多研究小组都采用偏振分集的方法，即将横电模(transverse electric mode，te)和横磁模(transverse magnetic mode，tm)这两种偏振信号通过不同的交换结构分离再分别路由。但是这种方案会使得光交换芯片的面积成倍增加，限制了光开关阵列的进一步拓展，所以对于大规模光开关阵列来说，急需一种即能实现偏振无关又不会占用过多芯片面积的偏振控制方案。技术实现要素：4.本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于片上集成偏振无关光开关的反馈控制系统及方法。本发明能够实现对于任意偏振态输入光的跟随调节，在保证了偏振无关的基础上也不会对过多占用光交换芯片的面积，同时整个反馈调节环路会根据入射光状态自动开启和关闭，实现了全自动跟随控制。5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明实施例第一方面提供了一种用于片上集成偏振无关光开关的反馈控制系统，包括光子集成芯片和外围控制电路，所述光子集成芯片包括：6.n×n的光开关阵列，包括n个输入端口和n个输出端口；和7.n个偏振控制器，每个所述偏振控制器包括偏振分束器、偏振旋转器、第一相移器、第一3db耦合器、第二相移器、第二3db耦合器和光电探测器，所述偏振分束器用于将输入的偏振态的光分为te模式光和tm模式光；所述偏振旋转器与偏振分束器分出的tm模式光相连；所述第一相移器与偏振旋转器相连，其相移量大小由第一控制信号决定；所述第一3db耦合器分别与第一相移器和偏振分束器分出的te模式光相连；所述第二相移器与第一3db耦合器相连，其相移量大小由第二控制信号决定；所述第二3db耦合器分别与第二相移器和第一3db耦合器相连；所述光电探测器与第二3db耦合器相连，用于探测第二3db耦合器输出的te模式光的大小，并作为反馈信号反馈给外围控制电路；8.其中，所述光开关阵列的每一路输入端口与所述偏振控制器的第二3db耦合器相连；9.所述外围控制电路包括跨阻放大器、放大电路、模数转换器、中控芯片、数模转换器和运算放大器，所述跨阻放大器与光电探测器相连；所述放大电路与跨阻放大器相连；所述模数转换器与放大电路相连；所述中控芯片与模数转换器相连；所述数模转换器与中控芯片相连；所述运算放大器的输入端与数模转换器相连，且输出端与光子集成芯片相连。10.进一步地，所述第一3db耦合器包括两个输入端口和两个输出端口。11.进一步地，所述第二3db耦合器包括两个输入端口和两个输出端口。12.进一步地，所述光开关阵列由2×2的光开关单元组成。13.进一步地，所述光开关单元包括两个输入端口和两个输出端口。14.进一步地，所述中控芯片包括fpga、mcu。15.本发明实施例第二方面提供了一种上述的用于片上集成偏振无关光开关的反馈控制系统的反馈控制方法，包括以下步骤：16.(1)初始化反馈控制系统的控制参数，其中，控制参数包括第一控制信号的初始电压、第二控制信号的初始电压、初始控制信号调节梯度系数、测量梯度的微调步进值、跳出循环的反馈量的阈值、反馈量变化率和反馈量变化率的阈值；17.(2)中控芯片将第一控制信号的初始电压和第二控制信号的初始电压下发给数模转换器，由数模转换器转换为模拟信号，再经过运算放大器放大后输出第一控制信号和第二控制信号，将第一控制信号加载到光子集成芯片的第一相移器上，将第二控制信号加载到光子集成芯片的第二相移器上，并将当前的反馈信号经跨阻放大器、放大电路、模数转换器后上报给中控芯片，监测当前反馈量的大小；18.(3)判断当前反馈量的值小于等于跳出循环的反馈量的阈值且反馈量变化率小于等于反馈量变化率的阈值是否成立，若成立，则代表此时入射光的偏振态已调节完成，该反馈控制系统将上报当前反馈量，并延时时间t，然后返回当前步骤；若不成立，则进入步骤(4)；19.(4)根据所述步骤(1)设置的测量梯度的微调步进值单独微调第一控制信号的大小，根据第一控制信号微调前后的反馈量计算新的第一控制信号的变化梯度；根据所述步骤(1)设置的测量梯度的微调步进值单独微调第二控制信号的大小，根据第二控制信号微调前后的反馈量计算新的第二控制信号的变化梯度；20.(5)根据所述步骤(4)得到的第一控制信号的变化梯度和第二控制信号的变化梯度及当前设置的第一控制信号的初始电压、第二控制信号的初始电压、初始控制信号调节梯度系数计算新的第一控制信号和新的第二控制信号；21.(6)中控芯片将新的第一控制信号和新的第二控制信号下发给数模转换器，由数模转换器转换为模拟信号，再经过运算放大器放大后输出第一控制信号和第二控制信号，将第一控制信号加载到光子集成芯片的第一相移器上，将第二控制信号加载到光子集成芯片的第二相移器上，并监测新的反馈量的大小；22.(7)根据所述步骤(2)得到的反馈量和所述步骤(6)监测到的新的反馈量计算新的反馈量变化率；23.(8)将新的反馈量变化率和新的反馈量返回所述步骤(3)进行判断。24.进一步地，所述反馈信号为光电流信号。25.进一步地，所述反馈信号包括第一控制信号对应的反馈信号和第二控制信号对应的反馈信号。26.进一步地，所述步骤(3)中延时时间t，然后返回当前步骤，具体为：设置时间t，按照时间t的上报周期反馈当前步骤，定时上报当前反馈量。27.本发明的有益效果是，本发明采用片上集成偏振控制器与外围控制电路相结合实现偏振态反馈调节环路，相比片上偏振分集方案，具有芯片面积小、损耗低的优势；利用片上集成的偏振控制器以及外围控制电路组成一个偏振态反馈调节环路，能对任意偏振态的入射光进行实时跟随调节，在保证了偏振无关的基础上也不会对过多占用光交换芯片的面积，并且由反馈量的大小自动触发控制环路的开启与关闭，大大节省了中控芯片的时钟资源，具有更加智能化、自动化的优势，实现了全自动跟随控制。附图说明28.图1为本发明实施例中用于n×n光开关阵列的片上集成偏振无关控制系统示意图；29.图2为本发明实施例中用于片上集成偏振无关光开关的反馈控制系统示意图；30.图3为本发明实施例中偏振态反馈调节环路示意图；31.图4为本发明实施例中用于片上集成偏振无关光开关的反馈控制方法的流程图。具体实施方式32.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进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。33.本发明的用于片上集成偏振无关光开关的反馈控制系统，参见图1，该反馈控制系统包括光子集成芯片和外围控制电路。34.本实施例中，光子集成芯片包括n×n的光开关阵列和n个偏振控制器。其中，n×n的光开关阵列包括n个输入端口和n个输出端口，光开关阵列的每一路输入端口与偏振控制器的第二3db耦合器相连。如图1所示，该偏振控制系统包括n个偏振控制器和与其相对应的n×n光开关阵列，光开关阵列的每一路输入端口与偏振控制器的第二3db耦合器相连。光开关阵列由2×2的光开关单元组成，，每个光开关单元包括两个输入端口和两个输出端口。35.本实施例中，如图2所示，每个偏振控制器包括偏振分束器(pbs)、偏振旋转器、第一相移器、第一3db耦合器、第二相移器、第二3db耦合器和光电探测器。36.偏振分束器(pbs)用于将输入的偏振态的光分为两路偏振态正交的单偏振光，即te(transverse electric mode，横电模)模式光和tm(transverse magnetic mode，横磁模)模式光。37.偏振旋转器与偏振分束器(pbs)分出的tm模式光相连，用于将tm模式光转换为te模式光。38.第一相移器与偏振旋转器相连，其相移量大小由第一控制信号决定。应当理解的是，第一控制信号为外围控制电路中的运算放大器输出的电压。39.第一3db耦合器分别与第一相移器和偏振分束器分出的te模式光相连，用于将经过第一相移器后的te模式光与由偏振分束器直接分出的te模式光进行耦合。40.第二相移器与第一3db耦合器相连，其相移量大小由第二控制信号决定。应当理解的是，第二控制信号为外围控制电路中的运算放大器输出的电压。41.第二3db耦合器分别与第二相移器和第一3db耦合器相连，用于将经过第二相移器后的te模式光与第一3db耦合器输出的te模式光进行耦合。42.光电探测器与第二3db耦合器相连，用于探测第二3db耦合器输出的te模式光的大小，并作为反馈信号反馈给外围控制电路。43.本实施例中，第一3db耦合器包括两个输入端口和两个输出端口，第二3db耦合器包括两个输入端口和两个输出端口。应当理解的是，第一3db耦合器的两个输入端口分别与第一相移器和偏振分束器分出的te模式光相连，第一3db耦合器的两个输出端口分别与第二相移器和第二3db耦合器的其中一个输入端口相连；第二3db耦合器的另一个输入端口与第二相移器相连，第二3db耦合器的两个输出端口分别与光电探测器和光开关单元相连。44.具体地，如图2所示，对一路光开关单元输入的偏振态的光经过偏振分束器(pbs)后分为te模式光和tm模式光，tm模式光经过偏振旋转器后转换为te模式光，转换后的te模式光通过第一相移器后与由偏振分束器直接分出的te模式光通过第一3db耦合器进行耦合，然后输出两路te模式光，一路te模式光经过第二相移器后与另一路te模式光通过第二3db耦合器进行耦合，输出的一路te模式光通过光电探测器后将反馈信号反馈给外围控制电路，另一路te模式光进入光开关单元。45.本实施例中，参见图2所示，外围控制电路包括跨阻放大器(tia)、放大电路、模数转换器(adc)、中控芯片、数模转换器(dac)和运算放大器。46.跨阻放大器(tia)与光电探测器的管脚相连，用于将反馈信号即光电流放大并转换为电压信号。47.放大电路与跨阻放大器(tia)相连，用于将电压信号进一步放大。48.模数转换器(adc)与放大电路相连，用于电压信号的采样，将采样到的电压信号转换为数字信号。49.中控芯片与模数转换器(adc)相连，用于整个反馈控制系统的逻辑控制。其中，中控芯片包括但不限于：fpga、mcu。50.数模转换器(dac)与中控芯片相连，用于输出偏振态控制电压，将电压转换为模拟信号。51.运算放大器的输入端与数模转换器(dac)相连，用于将数模转换器(dac)输出的控制电压信号进一步放大，其输出端与光子集成芯片相连，用于将第一控制信号和第二控制信号分别对应施加在第一相移器、第二相移器上。52.具体地，参见图3所示，整个偏振态反馈调节环路的工作过程为：当任意偏振态的光经过光子集成芯片后，光电探测器会探测此时反馈信号的大小，以光电流的形式输送到跨阻放大器(tia)，由于光电流很小，基本上光电流范围在10μa～1ma之间，所以需要跨阻放大器(tia)进行放大并转换为电压信号，例如将跨阻设定为2kohm时，电压信号在20mv～2v之间，再经过放大电路将电压信号放大，例如可以采用电压跟随放大电路进行放大，然后将放大后的电压信号传输给模数转换器(adc)，由模数转换器(adc)采样，将采样的电压信号转换为数字信号并传递给中控芯片，中控芯片会对采样到的电压信号进行计算处理并基于此计算出当前控制信号的大小，然后中控芯片会下发指令给数模转换器(dac)，由数模转换器(dac)下发控制信号，即第一控制信号和第二控制信号，控制信号再经由运算放大器放大后得到第一控制信号和第二控制信号，再将第一控制信号和第二控制信号施加在光子集成芯片上，具体施加在光子集成芯片内的第一相移器和第二相移器上。53.以上所述偏振态反馈调节环路工作过程中涉及的参数及器件选型只是作为实施示例，并不用以限制本发明。54.值得一提的是，本发明实施例还提出了一种用于片上集成偏振无关光开关的反馈控制方法，用于控制上述的用于片上集成偏振无关光开关的反馈控制系统，参见图4，该反馈控制方法包括以下步骤：55.(1)初始化该反馈控制系统的控制参数，具体包括：设定第一控制信号的初始电压v1cur、第二控制信号的初始电压v2cur、初始控制信号调节梯度系数alpha、测量梯度的微调步进值dsmall、跳出循环的反馈量的阈值vth、反馈量变化率delta和反馈量变化率的阈值ηth。56.(2)中控芯片将第一控制信号的初始电压v1cur和第二控制信号的初始电压v2cur下发给数模转换器(dac)，由数模转换器(dac)转换为模拟信号，两路模拟信号再经过运算放大器放大后输出第一控制信号和第二控制信号，将第一控制信号加载到光子集成芯片的第一相移器上，将第二控制信号加载到光子集成芯片的第二相移器上，将当前的反馈信号经跨阻放大器(tia)、放大电路、模数转换器(adc)后上报给中控芯片，并监测当前反馈量vfkcur的大小。57.应当理解的是，反馈信号以光电流信号的形式输送到跨阻放大器(tia)，通过跨阻放大器(tia)进行放大并转换为电压信号，再经过放大电路将电压信号进行放大，然后输送给模数转换器(adc)，将电压信号由模拟信号转换为数字信号上报给中控芯片，如此，中控芯片才可以对数字信号形式的反馈信号的电压值进行计算处理。58.(3)判断当前反馈量vfkcur的值是否小于等于跳出循环的反馈量的阈值vth，且反馈量变化率delta是否小于等于反馈量变化率的阈值ηth，即判断vfkcur≤vth&&delta≤ηth是否成立，若成立，则代表此时入射光的偏振态已调节完成，该反馈控制系统将上报当前反馈量vfkcur，并延时一段时间t，然后返回当前步骤；若不成立，则进入步骤(4)。59.应当理解的是，当前反馈量vfkcur包括第一控制信号对应的当前反馈量和第二控制信号对应的当前反馈量；跳出循环的反馈量的阈值vth可以与第一控制信号和第二控制信号分别对应单独设置，也可以设置为一个阈值，具体可以根据实际情况进行设置。60.(4)根据步骤(1)设置的测量梯度的微调步进值dsmall单独微调第一控制信号的大小，根据第一控制信号微调前后的反馈量计算新的第一控制信号的变化梯度g1；根据步骤(1)设置的测量梯度的微调步进值dsmall单独微调第二控制信号的大小，根据第二控制信号微调前后的反馈量计算新的第二控制信号的变化梯度g2。具体可以根据下列公式进行计算：61.g1＝(vfknew1-vfkcur1)/dsmall62.g2＝(vfknew2-vfkcur2)/dsmall63.其中，vfkcur1表示微调前第一控制信号的反馈量，vfknew1表示微调后第一控制信号的反馈量，vfkcur2表示微调前第二控制信号的反馈量，vfknew2表示微调后第二控制信号的反馈量。64.(5)根据步骤(4)得到的第一控制信号的变化梯度和第二控制信号的变化梯度及当前设置的第一控制信号的初始电压v1cur、第二控制信号的初始电压v2cur、初始控制信号调节梯度系数alpha计算新的第一控制信号和新的第二控制信号。具体地，可以根据下列表达式进行计算：65.v1new＝v1cur+g1*alpha66.v2new＝v2cur+g2*alpha67.其中，v1new表示新的第一控制信号，v2new表示新的第二控制信号。68.(6)中控芯片将新的第一控制信号和新的第二控制信号下发给数模转换器(dac)，由数模转换器(dac)转换为模拟信号，再经过运算放大器放大后输出第一控制信号和第二控制信号，将第一控制信号加载到光子集成芯片的第一相移器上，将第二控制信号加载到光子集成芯片的第二相移器上，并监测新的反馈量vfknew的大小。69.(7)根据步骤(2)得到的反馈量vfkcur和步骤(6)监测到的新的反馈量vfknew计算新的反馈量变化率delta，具体可以根据下列表达式进行计算：70.delta＝abs(vfknew-vfkcur)/vfkcur71.其中，abs表示绝对值函数。72.(8)将新的反馈量变化率delta和新的反馈量vfknew返回步骤(3)进行判断。73.具体地，根据新的反馈量变化率delta和新的反馈量vfknew进入判断，判读新的反馈量vfknew的值是否小于等于跳出循环的反馈量的阈值vth，且新的反馈量变化率delta是否小于等于反馈量变化率的阈值ηth，即判断vfknew≤vth&&delta≤ηth是否成立，若成立，则代表此时入射光的偏振态已调节完成，该反馈控制系统将上报新的反馈量vfknew，并延时一段时间t，然后返回当前步骤(3)；若不成立，则进入步骤(4)，继续循环判断。74.应当理解的是，该反馈控制系统会自行判断当前偏振态是否调节完成，当偏振态还未调节完成时，系统会自动进入循环内，根据当前反馈量调整新的控制信号，直至将反馈量调节至目标范围(即跳出循环的反馈量的阈值vth)。同时还必须满足反馈量变化率足够小的条件，以防止光信号突变造成的系统误判；当偏振态调节完成后，系统只会定时上报当前反馈量的大小，并且上报周期t可以调整；一旦光信号的偏振态发生偏移系统又会自动进入循环。75.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。









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