类游标卡尺的波分复用通道切换方法

1.本发明属于集成光学、光通信与微波光子学的交叉学科领域，具体是指一种通过级联自由光谱范围具有微小差异的带通滤波器、仿照游标卡尺工作原理利用小范围波长调谐实现大范围波分复用通道切换的方法，尤其涉及一种类游标卡尺的波分复用通道切换方法、系统及存储介质。


背景技术：

2.光电信息系统主要通过光学效应实现各种复杂信息功能，目前应用最广泛的是光通信系统，主要基于自由空间光路或全光纤光路，因此面临体积大、功耗高、稳定性差、故障率高、协调困难、升级缓慢等问题。更重要的是，随着光通信速率的指数提升，波分复用、偏分复用、时分复用、模分复用等手段日趋普及，现有自由空间光路和全光纤光路的松耦合集成方式严重滞后了光通信系统的规模化实用化升级进程。另一方面，基于芯片集成全光通信系统近年来发展迅速。芯片集成光路具有体积小、功耗低、功能丰富、性能稳定、可板卡集成、可批量制备等优点，且与传统芯片集成电路工艺高度兼容，能够在单一芯片上混合集成功能光路和逻辑电路，有望成为未来全光通信系统的首选技术方案。
3.波分复用技术在光纤通信、量子通信、微波光子信号处理等领域应用广泛；波分复用系统性能高度取决于多波长带通滤波器性能。具体地，多波长带通滤波器需具有与国际电信联盟(itu)频率间隔标准相一致的自由光谱范围，此外还需具备高消光比和大调谐带宽等。然而，现有芯片集成滤波器主要通过热光效应实现调谐，调谐范围有限，很难适应多个波分复用通道灵活切换的实用需求。


技术实现要素：

4.基于现有技术的问题，本发明要解决的技术问题是如何在单一芯片上制备集成两个结构相近、自由光谱范围略有差异的多波长滤波器并通过传输波导级联，利用控制电极加载的偏置电压独立控制滤波器中心波长，使两个滤波器带通谱在特定波分复用通道处重合，并利用小范围波长调谐实现大范围波分复用通道的快速切换。
5.为了达到上述效果，本发明提供的类游标卡尺的波分复用通道切换方法，在单一芯片上制备集成两个结构相近、自由光谱范围具有差异的多波长滤波器，通过外接偏置电压实现滤波器中心波长的独立调谐，利用芯片集成波导实现滤波器级联；通过控制偏置电压精准调控滤波器中心波长，使带通谱在特定波分复用通道上重合，通过小范围波长调谐实现大范围波分复用通道的快速切换；
6.级联两个自由光谱范围略有差异的芯片集成多波长带通滤波器，通过芯片集成电路控制使得两滤波器带通谱中心波长重合于特定波长，利用小范围波长调谐实现大范围波分复用通道的快速切换。
7.优选的，上述方法具体包括：
8.s101、通过芯片集成光路标准工艺制备结构相似、自由光谱范围略有差异的两套
滤波器，通过传输波导实现滤波器级联，制备光栅耦合器将信号光场导入或导出芯片；
9.s102、通过芯片集成电路标准工艺制备滤波器控制电极，利用集成导线将控制电极与引脚电极相连；
10.s103、将偏置电压通过引脚电极加载到滤波器，通过调谐滤波器带通谱中心波长实现特定波分复用通道输出和切换。
11.优选的，上述方法具体包括：
12.步骤1、信号光场通过光栅耦合器进入载波直波导，通过倏逝波耦合进入微环1、从下载侧输出至载波直波导、通过倏逝波耦合进入微环2、从下载侧输出至载波直波导并从右上角光栅耦合器输出；
13.步骤2、通过控制微环1上加载的偏置电压可使微环1带通峰重合于波分复用通道ch1～ch4；
14.步骤3、根据游标卡尺工作原理，通过控制微环2上加载的偏执电压使微环2的一个带通峰重合于波分复用通道ch1，用波分复用通道为ch1和ch4，增加微环2加载的偏置电压使微环2的一个带通峰重合于波分复用通道ch2，用波分复用通道为ch2。
15.优选的，当微环2的一个带通峰重合于波分复用通道ch3时，此时可用波分复用通道为ch3。
16.优选的，上述微环1半径略小于微环2，故微环1带通滤波的自由光谱范围略大于微环2。
17.优选的，上述方法通过芯片集成光路标准工艺制备、具备一定的结构设计自由度、能够高效无损地传输光场、频域具备一定的带通或带阻能力、能够通过改变波导折射率实现透过谱调谐、调谐基本原理包括但不限于热光效应、电光效应、光电效应。
18.优选的，上述方法通过芯片集成电路标准工艺制备、具备一定的结构设计自由度、改变滤波器结构中传输波导的折射率以实现滤波器中心波长调谐、通过控制电极-集成导线-引脚电极连接到外接逻辑电路、接收不同强度偏置电压，不限制控制电极、集成导线、引脚电极的结构尺寸和布线参数。
19.优选的，上述两多波长滤波器自由光谱范围分别为m和n，m》n且m符合itu频率间隔标准，通过调谐使第一滤波器(m)带通谱重合于itu波长通道；则当第二滤波器(n)调谐值为m-n时，即可实现跨度为m的相邻波长通道切换，当第二滤波器调谐值为m-n的n倍时，可实现跨度为mn的相隔波长通道切换；两个滤波器的带通谱半高全宽小于m/(m-n)时，m和n的最小公倍数对应的带宽范围内有且仅有一个波长通道输出。
20.一种实现如上述类游标卡尺的波分复用通道切换方法的系统，包括：
21.滤波器制备、级联和独立控制装置，用于在单一芯片上制备集成两个结构相似、自由光谱范围略有差异的多波长滤波器，通过外接偏置电压实现滤波器中心波长的独立调谐，利用芯片集成波导实现滤波器级联；
22.波分复用通道切换装置，用于通过控制偏置电压精准调控滤波器中心波长，使带通谱在特定波分复用通道上重合，通过小范围波长调谐实现大范围波分复用通道的快速切换。
23.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。
24.与现有技术相比，本发明能够基于现有工艺水平、通过系统设计、实现芯片集成滤波器性能提升，为宽带可调谐密集波分复用系统提供技术参考，为光通信用光电芯片标准化规模化应用提供重要支撑。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1示出了本发明类游标卡尺的基于级联微环的波分复用通道切换原理示意图。
具体实施方式
27.下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
28.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
29.本发明提供一种类游标卡尺的波分复用通道切换方法的实施例，在单一芯片上制备集成两个结构相近、自由光谱范围具有差异的多波长滤波器，通过外接偏置电压实现滤波器中心波长的独立调谐，利用芯片集成波导实现滤波器级联；通过控制偏置电压精准调控滤波器中心波长，使带通谱在特定波分复用通道上重合，通过小范围波长调谐实现大范围波分复用通道的快速切换；
30.级联两个自由光谱范围略有差异的芯片集成多波长带通滤波器，通过芯片集成电路控制使得两滤波器带通谱中心波长重合于特定波长，利用小范围波长调谐实现大范围波分复用通道的快速切换。
31.本发明提供一种类游标卡尺的波分复用通道切换方法的实施例，包括：
32.s101、通过芯片集成光路标准工艺制备结构相似、自由光谱范围略有差异的两套滤波器，通过传输波导实现滤波器级联，制备光栅耦合器将信号光场导入或导出芯片；
33.s102、通过芯片集成电路标准工艺制备滤波器控制电极，利用集成导线将控制电极与引脚电极相连；
34.s103、将偏置电压通过引脚电极加载到滤波器，通过调谐滤波器带通谱中心波长实现特定波分复用通道输出和切换。
35.本发明提供一种类游标卡尺的波分复用通道切换方法的实施例，包括：
36.步骤1、信号光场通过光栅耦合器进入载波直波导，通过倏逝波耦合进入微环1、从下载侧输出至载波直波导、通过倏逝波耦合进入微环2、从下载侧输出至载波直波导并从右上角光栅耦合器输出；
37.步骤2、通过控制微环1上加载的偏置电压可使微环1带通峰重合于波分复用通道ch1～ch4；
38.步骤3、根据游标卡尺工作原理，通过控制微环2上加载的偏执电压使微环2的一个带通峰重合于波分复用通道ch1，用波分复用通道为ch1和ch4，增加微环2加载的偏置电压使微环2的一个带通峰重合于波分复用通道ch2，用波分复用通道为ch2。
39.在一些实施例中，当微环2的一个带通峰重合于波分复用通道ch3时，此时可用波分复用通道为ch3。
40.在一些实施例中，微环1半径略小于微环2，故微环1带通滤波的自由光谱范围略大于微环2。
41.在一些实施例中，通过芯片集成光路标准工艺制备、具备一定的结构设计自由度、能够高效无损地传输光场、频域具备一定的带通或带阻能力、能够通过改变波导折射率实现透过谱调谐、调谐基本原理包括但不限于热光效应、电光效应、光电效应。
42.在一些实施例中，通过芯片集成电路标准工艺制备、具备一定的结构设计自由度、改变滤波器结构中传输波导的折射率以实现滤波器中心波长调谐、通过控制电极-集成导线-引脚电极连接到外接逻辑电路、接收不同强度偏置电压，不限制控制电极、集成导线、引脚电极的结构尺寸和布线参数。
43.在一些实施例中，两多波长滤波器自由光谱范围分别为m和n，m》n且m符合itu频率间隔标准，通过调谐使第一滤波器(m)带通谱重合于itu波长通道；则当第二滤波器(n)调谐值为m-n时，即可实现跨度为m的相邻波长通道切换，当第二滤波器调谐值为m-n的n倍时，可实现跨度为mn的相隔波长通道切换；两个滤波器的带通谱半高全宽小于m/(m-n)时，m和n的最小公倍数对应的带宽范围内有且仅有一个波长通道输出。
44.本发明提供一种实现如上述类游标卡尺的波分复用通道切换方法的系统，包括：
45.滤波器制备、级联和独立控制装置，用于在单一芯片上制备集成两个结构相似、自由光谱范围略有差异的多波长滤波器，通过外接偏置电压实现滤波器中心波长的独立调谐，利用芯片集成波导实现滤波器级联；
46.波分复用通道切换装置，用于通过控制偏置电压精准调控滤波器中心波长，使带通谱在特定波分复用通道上重合，通过小范围波长调谐实现大范围波分复用通道的快速切换。
47.如图1所示，本发明提供了一种基于级联微环的波分复用通道切换方法的实施例，信号光场通过左下角的光栅耦合器进入载波直波导，通过倏逝波耦合进入微环1、从下载侧输出至载波直波导、通过倏逝波耦合进入微环2、从下载侧输出至载波直波导并从右上角光栅耦合器输出；微环1半径略小于微环2，故微环1带通滤波的自由光谱范围略大于微环2；通过控制微环1上加载的偏置电压可使微环1带通峰重合于波分复用通道ch1～ch4，带宽范围3倍于微环1的自由光谱范围、4倍于微环2的自由光谱范围；仿照游标卡尺工作原理，通过控制微环2上加载的偏执电压可使微环2的一个带通峰重合于波分复用通道ch1，则此时可用波分复用通道为ch1和ch4，进一步增加微环2加载的偏置电压可使微环2的一个带通峰重合
于波分复用通道ch2，则此时可用波分复用通道为ch2，同理，当微环2的一个带通峰重合于波分复用通道ch3时，此时可用波分复用通道为ch3。
48.本发明提供了一种类游标卡尺的波分复用通道切换方法的实施例，包括：
49.s101、通过芯片集成光路标准工艺制备结构相似、自由光谱范围略有差异的两套滤波器，通过传输波导实现滤波器级联，制备光栅耦合器将信号光场导入或导出芯片；
50.s102、通过芯片集成电路标准工艺制备滤波器控制电极，利用集成导线将控制电极与引脚电极相连；
51.s103、将偏置电压通过引脚电极加载到滤波器，通过调谐滤波器带通谱中心波长实现特定波分复用通道输出和切换。
52.本发明提供了一种类游标卡尺的波分复用通道切换方法的实施例，级联两个自由光谱范围略有差异的芯片集成多波长带通滤波器，通过芯片集成电路控制使得两滤波器带通谱中心波长重合于特定波长，利用小范围波长调谐实现大范围波分复用通道的快速切换。
53.在一些实施例中，芯片集成滤波器，能够通过芯片集成光路标准工艺制备、具备一定的结构设计自由度、能够高效无损地传输光场、频域具备一定的带通或带阻能力、能够通过改变波导折射率实现透过谱调谐、调谐基本原理包括但不限于热光效应、电光效应、光电效应等，典型结构包括但不限于阵列波导光栅、马赫增特干涉仪、微环腔、回音壁微碟腔、光子晶体慢光微腔、法布里-珀罗腔、布拉格光栅等，级联的滤波器可以具有相同结构也可具有不同结构，所用材料平台包括但不限于绝缘体上硅、载氢非晶硅、氮化硅、碳化硅、硫系玻璃、三五族铝镓砷、三五族磷化铟等，既可采用单一材料集成方法，也可采用多材料混合集成方法。
54.在一些实施例中，芯片集成电路，能够通过芯片集成电路标准工艺制备、具备一定的结构设计自由度、能够改变滤波器结构中传输波导的折射率以实现滤波器中心波长调谐、能够通过控制电极-集成导线-引脚电极连接到外接逻辑电路、能够接收不同强度偏置电压，不限制控制电极、集成导线、引脚电极的结构尺寸和布线参数。
55.在一些实施例中，波长通道快速切换，两滤波器自由光谱范围分别为m和n，m》n且m符合itu频率间隔标准，通过调谐使第一滤波器(m)带通谱重合于itu波长通道；则当第二滤波器(n)调谐值为m-n时，即可实现跨度为m的相邻波长通道切换，当第二滤波器调谐值为m-n的n倍时，可实现跨度为mn的相隔波长通道切换；两个滤波器的带通谱半高全宽小于m/(m-n)时，m和n的最小公倍数对应的带宽范围内有且仅有一个波长通道输出。不限定m、n的具体数值，不限定半高全宽、消光比、滤波光谱形状等具体参数。
56.与现有技术相比，本发明具有以下优势：
57.首先，本发明提供了一种基于现有芯片集成滤波器制备工艺水平的、充分考虑芯片集成器件调谐范围有限技术现状的波分复用通道切换方法，小范围波长调谐实现大范围波分复用通道的快速切换。通过简单计算可知，自由光谱范围分别为m和n的两个滤波器级联(m》n且m符合itu频率间隔标准)，当第一滤波器(m)带通谱重合于itu波长通道时，第二滤波器(n)只需调谐m-n即可实现跨度为m的波长通道切换，当带通谱半高全宽小于m/(m-n)时，m和n最小公倍数对应的带宽范围内有且仅有一个波长通道。
58.其次，本发明所属波分复用通道切换方法能够在波分复用通道快速切换的同时大
幅压缩带通谱半高全宽、成倍提升向光壁，有望提升波分复用系统频域分辨率。
59.此外，本发明所述波分复用通道切换方法高度兼容于现有制备工艺水平，通过芯片集成光路的设计实现滤波器性能提升的思想具有较高的工程实用性，可为各种芯片集成光电信息系统研发应用和性能升级提供重要参考。
60.为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本技术时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
61.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
62.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
63.本技术可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本技术，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
64.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
65.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
66.在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(cpu)、输入/输出接口、网络接口和内存。
67.内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(ram)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flash ram)。内存是计算机可读介质的示例。
68.计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除
可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
69.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
70.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
71.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。