[發(fā)明專利]一種電光開關(guān)的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)控制系統(tǒng)、控制方法及芯片

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710455702.2
• 申請(qǐng)日: 2017-06-16
• 公開（公告）號(hào): CN107346064A
• 公開（公告）日: 2017-11-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李冰;李營營;嚴(yán)亭
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國電子科技集團(tuán)公司第二十三研究所
• 主分類號(hào): G02F1/015
• 分類號(hào): G02F1/015
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種利用雙光子吸收效應(yīng)實(shí)現(xiàn)硅基SOI波導(dǎo)型電光開關(guān)雙穩(wěn)態(tài)操作的控制系統(tǒng)、控制方法及芯片。

背景技術(shù)

光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)是指在光學(xué)系統(tǒng)中一個(gè)輸入光可以產(chǎn)生兩個(gè)穩(wěn)定的輸出光，并且兩種輸出狀態(tài)可以互相轉(zhuǎn)換。也就是說，一種輸入對(duì)應(yīng)高、低不同的兩種輸出，并且兩種輸出狀態(tài)可以通過光信號(hào)或外部電信號(hào)進(jìn)行控制，和電子元件中的邏輯門類似。和電子學(xué)器件相比，光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件有兩個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)，開關(guān)速度快，并且不受電磁干擾。因此，光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件在光通信，光信號(hào)處理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，并且有可能成為光計(jì)算機(jī)中的一種基本元件。

光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)是一種具有負(fù)反饋的非線性光學(xué)系統(tǒng)。雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)必須同時(shí)滿足兩個(gè)條件：存在一個(gè)物理量能夠?qū)敵龉鈴?qiáng)進(jìn)行調(diào)制；輸出光強(qiáng)能通過某種反饋方式來控制該物理量。按照反饋性質(zhì)的不同，可以將光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件分為全光光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件和電光混合型光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件。全光光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件利用介質(zhì)材料的非線性光學(xué)性質(zhì)來控制器件的輸出。例如，吸收系數(shù)或介質(zhì)折射率在強(qiáng)光下發(fā)生變化。這類器件直接利用介質(zhì)的非線性光學(xué)性質(zhì)，反饋速度很快。但對(duì)介質(zhì)的非線性要求很高，限制了材料的選擇范圍，而且對(duì)入射光的強(qiáng)度和頻率都有嚴(yán)格的要求。電光混合型雙穩(wěn)器件依靠外部電路來實(shí)現(xiàn)反饋控制，反饋速度受外部電路限制。但對(duì)介質(zhì)非線性和光源要求不高，而且靈活多變，其調(diào)制系統(tǒng)可以是電光調(diào)制器、熱光調(diào)制器、磁光調(diào)制器、聲光調(diào)制器或等離子色散調(diào)制器。本發(fā)明所涉及的雙穩(wěn)態(tài)光開關(guān)屬于電光混合型光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件的范疇。

一種電光混合型光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)裝置如圖1所示[Nonlinear electro-optic Fabry-Perot devices using reflected-light feedback，optics letters，1978]。裝置中使用了一個(gè)腔長為10cm的共焦球面F-P干涉儀，干涉儀中間放置LiTaO3電光晶體，作為調(diào)制器。該晶體的折射率與加在其上的電壓有關(guān)。利用單頻He-Ne激光入射，透過干涉儀的光被分光器反射，一部分到達(dá)光電探測(cè)器，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后經(jīng)放大反饋至電光晶體的調(diào)制電極上。在這種裝置中，反饋電壓控制腔內(nèi)折射率的變化，而反饋電壓又和腔內(nèi)的光強(qiáng)成正比，因此腔內(nèi)折射率的變化仍和腔內(nèi)的光強(qiáng)成正比。但是由于外部電路的放大作用，腔內(nèi)光強(qiáng)微弱的變化就可以導(dǎo)致介質(zhì)折射率的變化，因此降低了對(duì)入射光強(qiáng)度的要求。另外，在這種調(diào)制方式中，不要求入射光和介質(zhì)吸收的中心頻率重合，因此放寬了對(duì)入射光波長的選擇。該裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間不受介質(zhì)的影響，取決于外部反饋控制線路的響應(yīng)時(shí)間。

圖1所示的電光混合型光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)裝置由分立器件組合而成，因此具有體積龐大，造價(jià)昂貴，調(diào)諧困難，工作穩(wěn)定性差以及開關(guān)功率較大等缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)導(dǎo)致了這種裝置在實(shí)際應(yīng)用中并沒有很大的吸引力。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出了一種基于硅基SOI波導(dǎo)型電光開關(guān)穩(wěn)態(tài)控制系統(tǒng)，利用硅材料的雙光子吸收效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)控制，旨在實(shí)現(xiàn)體積更小、效率更高、功率更小并且易于工藝實(shí)現(xiàn)的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件。

系統(tǒng)包括：呈環(huán)形依次連接的SOI波導(dǎo)型電光開關(guān)、雙光子吸收探測(cè)器、反饋電路、驅(qū)動(dòng)電路；SOI波導(dǎo)型電光開關(guān)包括用于接收光信號(hào)的光輸入端口，以及用于輸出光信號(hào)的光輸出端口；雙光子吸收探測(cè)器用于連接SOI波導(dǎo)型電光開關(guān)的光輸出端口，將部分光信號(hào)輸出，另一部分光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出給反饋電路；反饋電路用于將電信號(hào)的變化反饋給驅(qū)動(dòng)電路；驅(qū)動(dòng)電路用于供給SOI波導(dǎo)型電光開關(guān)工作電流，并根據(jù)反饋電路的反饋調(diào)整工作電流，以使SOI波導(dǎo)型電光開關(guān)穩(wěn)定工作在交叉或直通傳輸狀態(tài)。

驅(qū)動(dòng)電路首先將光開關(guān)偏置在交叉或直通傳輸狀態(tài)，當(dāng)SOI波導(dǎo)型電光開關(guān)輸出端光信號(hào)的強(qiáng)度變化時(shí)，通過雙光子吸收探測(cè)器獲取情況并產(chǎn)生電信號(hào)，經(jīng)由反饋電路反饋到驅(qū)動(dòng)電路，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流使所述傳輸狀態(tài)的輸出光功率穩(wěn)定。

另外，SOI波導(dǎo)型電光開關(guān)為可以為1×2硅基SOI波導(dǎo)型電光開關(guān)，或由1×2光開關(guān)組合而成的1×N光開關(guān)網(wǎng)絡(luò)(N為大于2的偶數(shù))，或2×2硅基SOI波導(dǎo)型電光開關(guān)，或由2×2光開關(guān)組合而成的N×N(N為大于2的偶數(shù))光開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。

另外，反饋電路可以為反饋放大電路。

另外，本發(fā)明還提出了一種集成了上述光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)控制系統(tǒng)的芯片。