[发明专利]一种电光开关的光学双稳态控制系统、控制方法及芯片

说明书

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种利用双光子吸收效应实现硅基SOI波导型电光开关双稳态操作的控制系统、控制方法及芯片。

背景技术

光学双稳态是指在光学系统中一个输入光可以产生两个稳定的输出光，并且两种输出状态可以互相转换。也就是说，一种输入对应高、低不同的两种输出，并且两种输出状态可以通过光信号或外部电信号进行控制，和电子元件中的逻辑门类似。和电子学器件相比，光学双稳态器件有两个主要的优点，开关速度快，并且不受电磁干扰。因此，光学双稳态器件在光通信，光信号处理等领域有着广泛的应用，并且有可能成为光计算机中的一种基本元件。

光学双稳态系统是一种具有负反馈的非线性光学系统。双稳态系统必须同时满足两个条件：存在一个物理量能够对输出光强进行调制；输出光强能通过某种反馈方式来控制该物理量。按照反馈性质的不同，可以将光学双稳态器件分为全光光学双稳态器件和电光混合型光学双稳态器件。全光光学双稳态器件利用介质材料的非线性光学性质来控制器件的输出。例如，吸收系数或介质折射率在强光下发生变化。这类器件直接利用介质的非线性光学性质，反馈速度很快。但对介质的非线性要求很高，限制了材料的选择范围，而且对入射光的强度和频率都有严格的要求。电光混合型双稳器件依靠外部电路来实现反馈控制，反馈速度受外部电路限制。但对介质非线性和光源要求不高，而且灵活多变，其调制系统可以是电光调制器、热光调制器、磁光调制器、声光调制器或等离子色散调制器。本发明所涉及的双稳态光开关属于电光混合型光学双稳态器件的范畴。

一种电光混合型光学双稳态装置如图1所示[Nonlinear electro-optic Fabry-Perot devices using reflected-light feedback，optics letters，1978]。装置中使用了一个腔长为10cm的共焦球面F-P干涉仪，干涉仪中间放置LiTaO3电光晶体，作为调制器。该晶体的折射率与加在其上的电压有关。利用单频He-Ne激光入射，透过干涉仪的光被分光器反射，一部分到达光电探测器，转化为电信号后经放大反馈至电光晶体的调制电极上。在这种装置中，反馈电压控制腔内折射率的变化，而反馈电压又和腔内的光强成正比，因此腔内折射率的变化仍和腔内的光强成正比。但是由于外部电路的放大作用，腔内光强微弱的变化就可以导致介质折射率的变化，因此降低了对入射光强度的要求。另外，在这种调制方式中，不要求入射光和介质吸收的中心频率重合，因此放宽了对入射光波长的选择。该装置的动态响应时间不受介质的影响，取决于外部反馈控制线路的响应时间。

图1所示的电光混合型光学双稳态装置由分立器件组合而成，因此具有体积庞大，造价昂贵，调谐困难，工作稳定性差以及开关功率较大等缺点，这些缺点导致了这种装置在实际应用中并没有很大的吸引力。

发明内容

本发明提出了一种基于硅基SOI波导型电光开关稳态控制系统，利用硅材料的双光子吸收效应来实现光学双稳态控制，旨在实现体积更小、效率更高、功率更小并且易于工艺实现的光学双稳态器件。

系统包括：呈环形依次连接的SOI波导型电光开关、双光子吸收探测器、反馈电路、驱动电路；SOI波导型电光开关包括用于接收光信号的光输入端口，以及用于输出光信号的光输出端口；双光子吸收探测器用于连接SOI波导型电光开关的光输出端口，将部分光信号输出，另一部分光信号转化为电信号输出给反馈电路；反馈电路用于将电信号的变化反馈给驱动电路；驱动电路用于供给SOI波导型电光开关工作电流，并根据反馈电路的反馈调整工作电流，以使SOI波导型电光开关稳定工作在交叉或直通传输状态。

驱动电路首先将光开关偏置在交叉或直通传输状态，当SOI波导型电光开关输出端光信号的强度变化时，通过双光子吸收探测器获取情况并产生电信号，经由反馈电路反馈到驱动电路，调节驱动电流使所述传输状态的输出光功率稳定。

另外，SOI波导型电光开关为可以为1×2硅基SOI波导型电光开关，或由1×2光开关组合而成的1×N光开关网络(N为大于2的偶数)，或2×2硅基SOI波导型电光开关，或由2×2光开关组合而成的N×N(N为大于2的偶数)光开关网络。

另外，反馈电路可以为反馈放大电路。

另外，本发明还提出了一种集成了上述光学双稳态控制系统的芯片。