硅基光子交换芯片的稳定性研究

作     者：黄维 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：武保剑

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：光子交换芯片 马赫-曾德尔干涉仪 微环谐振器 载流子色散 热光效应 反馈控制技术 

摘      要：硅基光子交换芯片作为未来片上光网络的核心器件,已成为光通信技术领域的研究热点,而一个值得关注的问题是如何使光子交换芯片始终保持在稳定工作状态。本文通过理论和仿真分析控制电极的电光和热光特性,提出一种可使光交换芯片稳定工作的反馈控制装置,并结合硅基马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer, MZI)和微环谐振器(Micro-Ring Resonator, MRR)两种光子交换芯片的特点提出了相应的解决方案。实验测试了基于MZI的16×16交换芯片的驱动电路和性能,完成了 4×4硅基光子交换芯片的反馈稳定实验。本论文的主要工作内容和创新如下:1.详细地描述了硅基马赫-曾德尔干涉仪和微环谐振器两种光子交换芯片的控制电极结构和开关控制过程,理论和仿真分析了控制电极的电光和热光特性,提出一种可使光交换芯片稳定工作的反馈控制装置,即通过监测芯片的输出功率或隔离度等性能来反馈控制热控电压值,同时弥补芯片加工的工艺误差。2.通过分析MZI和MRR光开关单元的温度敏感特性,提出了基于隔离度性能的MZI光开关反馈控制方案和基于输出光功率的MRR光开关反馈控制稳定方案。重点分析了加热电阻对MZI光开关的温度补偿作用,研究结果表明,外界温度增加会减小加热电阻的阻值,这是影响MZI光开关稳定性的主要因素。3.根据MZI光开关单元的工作原理,研究了光开关过程中载流子浓度变化和PIN电极热效应对波导折射率的影响,结合光分组交换应用场景,通过考察热量的累积效应分析了光开关驱动电压与分组保护间隔之间的匹配特点,传统光开关驱动方式适合于较长的光分组格式。4.研发了 MZI光交换集成芯片的驱动电路,编写了控制程序,在测试4×4 MZI交换芯片的温度依赖性基础上,开展了反馈控制的稳定实验。研究表明,当温度从28℃变化到50℃时,光开关的反馈电压在0.76V～0.9V之间,输出光功率的变化可控制在O.1dB以内。此外,根据国家863项目任务要求,还完成了 16×16交换芯片驱动电路和性能测试实验。