集成光开关芯片与掺铒光纤放大器互连构建大规模光开关矩阵外文翻译资料

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武汉理工大学

毕业设计（论文）

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集成光开关芯片与掺铒光纤放大器互连构建大规模光开关矩阵

关键词：光通信 光开关 光信噪比 极化相关额外损耗

摘要：大规模光开关是光通信网络的重要组成部分。我们希望通过采用三级CLOS架构的硅基光开关芯片互连，建立一个大规模的光开关矩阵，其中需要掺铒光纤放大器来补偿芯片的插入损耗。关于在TE模光下大规模光开关矩阵的光信噪比（OSNR）的研究表明实验结果与理论分析一致。我们使用16times;16光开关芯片构建了64times;64的光开关矩阵，通过充分利用掺铒光纤放大器的增益结构，使光信噪比和接收灵敏度分别提高了0.6dB和0.2dB。

1. 介绍

在远距离的光通信和近距离的光互连中，能够从不同的输入端口任意切换到输出端口的光开关矩阵起着关键作用[1-3]。硅基光开关芯片技术因为其与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容而受到越来越多的关注[4-6]。基于马赫-曾德尔干涉仪（MZIs）和双环辅助马赫-曾德尔干涉仪（DR-MZI）的高速16times;16无阻塞光开关最近已经实现[7-9]。通常来说，有两种方法可以建立更大规模的光开关矩阵。一种方法是通过优化插入损耗和串扰，在单个衬底上设计大规模光开关矩阵。在可扩展交换的结构中，光开关芯片通常由1times;2或2times;2的开关构成，如纵横式交换矩阵[10]，开关与选择[11]，重层结构[12]，拜尼兹（benes）网络[13]，斯番克-拜尼兹型（Spanke-Benes）结构[14]和通道无关插入损耗（PILOSS）[15]。此外，半导体光放大器由于其固有增益、高消光比和宽频带等优点，也是一种有效的开关器件，因此也具有广泛的应用前景。基于半导体光放大器的大型交换机结构可以通过级联开关元件来实现[16,17]。然而，由于插入损耗/串扰较大以及放大自发辐射噪声的累积，单片集成交换机当前可实现的端口数限制在16times;16[7-9,17]。另一种是所谓的芯片互连方案，在这种方案中，一些要使用的的开关芯片在某些拓扑结构[18]，如三级CLOS结构[19]中由光纤组合在一起。后一种方案在用光纤代替波导交叉和用掺铒光纤放大器或半导体光放大器（SOA）补偿插入损耗方面具有独特的优势。在实际应用中，当光放大器是集成状态或被添加到交换结构中时，焦点将从损耗限制移动到噪声限制的首尾相连的光链路设计。剑桥大学的研究人员发表了 多篇关于大规模马赫 - 曾德尔干涉半导体光放大器光开关的功率动态范围和功率损耗的论文[20-22]。通过级联集成放大无阻塞小端口计数基于马赫 - 曾德尔干涉半导体光放大器的开关以及在每个阶段优化半导体光放大器增益以实现低功率无损操作的研究，证明了大端口计数光开关的潜在可扩展性[23-25]。显然，掺铒光纤放大器中的累加放大的自发辐射（ASE）噪声会降低转换系统中的光信噪比。

在本论文中，我们主要研究了16times;16硅光开关与掺铒光纤放大器的互连方案，并测试了它在横电模（TE）传输模式下的光信噪比特性。实验结果与理论分析相符。数据传输中的比特出错概率特性也证明了系统的光信噪比特性。通过利用横电模开关芯片波导的偏振滤波特性，我们提出了一种光信噪比劣化最小化（或在某些极端条件下改善光信噪比劣化）的配置方法，即：使前三级芯片的净增益大于一个定值，其余级芯片保持一个恒定的光功率。我们认为在受插入损耗限制的系统重，光开关的规模可以得到有效的扩展。而如果插入损耗不再是限制因素，则串扰的降低将成为另一个需要深入考虑的问题[22,27-30]。

1. 理论分析

当是第n级的净增益， 是实际的信噪比，这意味着第m级掺铒光纤放大器中的放大自发辐射噪声等效于第一级的输入，其中。显然，我们总会得到，分别对应于每个阶段的上限和下限。

方框1

利用硅波导中的自由载流子色散（FCD），得到的光开关芯片具有纳秒级的开关时间。到目前为止，已经开发出来了16times;16无阻塞光开关芯片[8]，高插入损耗和串扰可能会是构建更大规模光开关矩阵的限制因素[30]。本文重点研究了芯片互连的方案，使用了掺铒光纤放大器来补偿光开关芯片的插入损耗。需要注意的是，虽然我们以掺铒光纤放大器为例构建了一个大型64times;64光开关，但文中关于光放大器特性的内容很少。也就是说其他类型的放大器也是可以尝试的，比如半导体光放大器（SOA）。然而，我们没有使用半导体光放大器，因为饱和的半导体光放大器具有超快动态增益特性，在波分复用（WDM）系统中可能会产生码间串扰（ISI）和信道间串扰。因此，半导体光放大器的工作区间通常限制在准线性区，故在实际应用中缺乏灵活性，图一给出了光开关芯片与掺铒光纤放大器级联的简化理论模型，其中没有考虑光学非线性。在图一中，每一级都由预放大掺铒光纤放大器和光开关芯片组成。它们在第n级的输出分别用（2n-1）和（2n）作为参照点来标识。第n级掺铒光纤放大器在光带宽内引入的放大自发辐射噪声功率可以表示为[31]，其中和分别是增益系数和噪声系数，是普朗克常数，是光频。在1550nm的波段中，当是0.1nm时，。当衰减的光信号通过横电模波导芯片时，由于偏振滤波，非偏振放大自发辐射噪声功率将降低3dB。因此，可知如下规律：

1. 信号功率其中是第n个开关芯片的插入损耗。
2. 放大自发辐射密度

。

利用上述递推关系，可以推导出每级对应处的光信噪比如方框一。

当满足公式（4）的条件时，光信号的光信噪比下限可以提高，即。对于确定的噪声系数，公式（4）的确定依赖着初始噪声功率和净增益的合理设置，而这是相对难以实现的。

通过公式（2）（3），在以下情况中我们可以得出各阶段的净增益随光信噪比的变化：适用于前三级，其余级的。理论结果如图2所示，在我们的计算中，。

由图2可以看出，对系统性能有重要影响。当时，多级系统的光信噪比上下限趋于同一个值，这与时的情况明显不同。同时，的情况与级联掺铒光纤放大器的长途通信系统相类似，光信噪比越来越受被放大的自发辐射噪声影响，如图2（b）所示。图2（c）表示的是时的情况，输出光信噪比可以迅速到达一个常数。因此，降低光信噪比衰减的有效方法是使每一级保持一个净增益。实际上，如果前三级的净增益大于3dB同时其他级净增益接近0dB，那么多级系统的输出光信噪比几乎可以保持不变，从而使光信噪比衰减的最轻。

图1 芯片级联系统原理图

图2 光信噪比随的变化。（a）；（b）；（c）；（d）前三个阶段的，其余阶段。红色点划线代表的是光信噪比的上限，蓝色虚线表示光信噪比的下限，黑色线表示每级对应点的光信噪比，绿色点划线表示光的功率。

图3 实验装置

1. 实验

我们的三级芯片系统实验装置由多个掺铒光纤放大器和一个16times;16光开关芯片组成，光信号在芯片的不同输入输出端口之间传输，如图3所示。多通道光功率计是通过1:99分光器来测量0/2/4/6参照点的净增益的。在1/3/5/7参照点处，用光谱振荡器（OSA）和可调谐光衰减器（TOA）测量掺铒光纤放大器，以保持相同的光功率。在每个2times;2马赫-曾德尔干涉光开关的亮臂中分别使用微波加热器和PIN二极管来补偿制作误差以及快速调整开关状态。在16times;16光开关芯片上集成了56个2times;2马赫-曾德尔干涉光开关，采用了无阻塞拜尼兹结构，光纤插入损耗为23.6dB。与Switch-and-Selected结构、PILOSS结构、Fat-Tree胖树拓扑结构和Clos等结构相比，拜尼兹结构在全开关连接中具有最少的开关元件数量，同时具有较低的插入损耗和较少的电动执行器[18]，这几点在我们看来对大规模光开关的构建是非常关键的。

在我们的实验中，利用光调制器和伪随机脉冲发生器（PPG）得到了12.5Gb/s的光信号。在光开关前面插入偏振控制器，以确保光信号与开关的横电波对应。为了满足式（4）的标准，第一个掺铒光纤放大器的输入功率被设置为-6.5dBm，光信噪比为28.5dB。通过调整掺铒光纤放大器增益来改变每级的净增益，然后如图4所示测量参照点3/5/7处的光信噪比。另外，当大于-12.9dB时，参照点3处的光信噪比会超过输入的28.5dB的光信噪比，如图4（a）所示。类似的变化也会在参照点5和7处发生，其相应的净增益大于3dB，如图4（b）和（c）所示。在图4中，我们也给出了由方程式（1）至方程式（3）计算的理论曲线，而计算的结果与实验数据吻合。需要指出的是，光信噪比的提高是由于横电模芯片的偏振滤波效应，即使很大，光信噪比也不会超过3dB。还应指出的是，这里提出的结果是非常特殊的情况。在一般的情况下，如图2所示，当大于3dB（）时，与前一级相比，（）参照点处的光信噪比可以被改善。

1. 大规模光开关矩阵的构建

根据理论分析和实验结果表明，光信噪比的下限将随着的增大而增大。我们研究了这一规则，以便使用开关级联获得更大的开关矩阵。

接下来，我们将利用16times;16光开关芯片构造64times;64光开关矩阵，如图5所示。在该结构中，掺铒光纤放大器被用来补偿光开关芯片的插入损耗，或者进一步被波分复用器、掺铒光纤放大器和解复用器（多路放大解复用器，MAD）的功能部件所替代。此外，AD（分路放大器）或MA（多路放大器）表示MAD设备的简化版本，并分别用于输入或输出级。每

图4 对光信噪比的影响。（a）第二级；（b）第三级；（c）第四级，这其中点表示测量数据，实线表示计算数据

图5 三级CLOS结构在一波长平面上形成大规模波分复用（WDM）光开关矩阵。第二级的16times;16光开关芯片看成4个4times;4光开关，使12个光开关具有统一的形式。AD：分路放大器；MAD：多路分路放大器；

MA：多路放大器。

个波长平面与64times;64光开关矩阵相关联，由12个均匀的16times;16光开关芯片以三级CLOS网络的形式组成。偏振控制器需要将信号偏振与开关的横电模对准，图5中省略了这一点。中间阶段的16times;16光开关芯片作为四个独立的4times;4光开关组成CLOS网络。在这样的大规模开关中，最大总功耗可以达到14W，这可以通过使用新的启发式路由算法[27]或关闭不活动的开关元件[32]在一定程度上节省。

这里，我们以实验中使用的16times;16光开关芯片（23.6dB的光纤维间损耗）为例，建立64times;64光开关矩阵，配置各级（）的分路放大器，多路放大解复用器和多路放大器的增益，如图3所示。根据图4所示，我们取和的增益（对应于），得到的64times;64光开关矩阵在输出端的光信噪比为29.4dB，与输入信号相比，光信噪比提高了0.6dB。在与试验参数相同的情况下，模拟了64times;64开关矩阵的误码率特性，与16times;16开关芯片相比，接收灵敏度提高了0.2dB，如图6所示。为了表明增益配置的影响，图6还给出了与长距离光纤通信系统的传统配置类似的灵敏度降低的情况，即和（对应于），其中每个再生段的光功率通常是固定的。显然，光信噪比和接收灵敏度的提高可以归因于开关芯片的极化和滤波特性，特别是掺铒光纤放大器根据公式（4）准则的增益配置。应当指出，在不满足式（4）的情况下，如图2所示，通过增加净增益仍然可以使光信噪比的衰减降到最低。

图6 不同情况下的误码率特性。黑三角线是16times;16光开关的情况。红色虚线表示6

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