CN105182105B - 一种微环芯片电控特性的自动测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光通信技术领域，提供一种微环芯片电控特性的自动测试装置，该装置包括自动测试分析平台、芯片控制器、扫描激光器、光电转换模块以及切换开关组，在自动测试分析平台的控制下，芯片控制器调节待测微环芯片的工作状态，进而扫描激光器发出扫描光信号输入待测微环芯片，再由光电转换模块将输出光信号转换为电信号，再送入自动测试分析平台进行数据处理获得微环芯片的电控特性。本发明能够自动、快速地测定微环芯片谐振波长和输出光功率随控制信号强度的变化关系曲线，从而快速确定微环芯片的电控特性。相比人工调试大大减少了测试时间，提高了测试效率。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种微环芯片电控特性的自动测试装置。
背景技术
随着信息化进程的推进，相比以往人们所需要传递的信息量逐日剧增，如何高效地、高速地传递信息成为了人们研究的热点之一。光作为信息的载体，在光纤通信领域发挥了巨大作用，使光纤通信网络不断地向更高速、更大带宽、更低功耗的方向发展，网络节点设备更加依赖于光子集成芯片的商业化。
微环谐振器作为许多光子集成芯片的基本结构，利用其良好的波长选择特性和易于集成加工的特性，可以实现波分复用器和光滤波器等功能，激发了人们对相应光子集成芯片的研发。微环谐振器的工作状态可以通过控制注入波导的载流子浓度或者通过热光等物理效应进行调整，并通过施加适当的电压或电流实现光开关、可调滤波器。工作中必须测量微环芯片的电控特性，才能确定功能芯片的最佳驱动电压或电流；然而，由于波导结构的设计误差，芯片加工工艺的不完善等一些限制因素，实际制作的微环芯片的性能随机性较大、初始工作状态也不确定，即每个微环单元的电控特性不尽相同。目前，人们采用手动调测方式获得一些简单结构的微环芯片的电控信息，但对于大量微环组成的芯片而言，如基于微环阵列的光开关芯片，采用手动方式进行调试会变得束手无策，因为微环易受外界环境的影响，在这种情形下，之前调好的微环状态的稍微改变，可能就会影响到当前调节的微环的功能状态，甚至始终达不到目的。因此，采用人工方法很难获得足够精确的微环芯片电控特性曲线，而且调测到最佳工作状态所花费的时间极长、效率低。
发明内容
本发明的目的在于针对手动调测微环芯片的缺点，提供一种微环芯片电控特性的自动测试装置。本发明能够自动、快速地测定微环芯片谐振波长和输出光功率随控制信号强度的变化关系曲线，从而快速确定微环芯片的电控特性；相比人工调试大大减少了测试时间，提高了测试效率。
本发明的技术方案为：
一种微环芯片电控特性的自动测试装置，包括自动测试分析平台、芯片控制器、扫描激光器、光电转换模块以及切换开关组，其中，
扫描激光器用于提供扫描光信号，扫描光信号通过切换开关输入待测微环芯片；
切换开关组用于待测微环芯片中光路的切换；
芯片控制器用于调节待测微环芯片中微环单元的工作状态；
光电转换模块用于将待测微环芯片输出端输出光信号转化为电信号；
自动测试分析平台用于控制扫描激光器、切换开关组、芯片控制器，以及电信号的采集和处理。
进一步的，所述自动测试分析平台包括数据采集模块、扫描激光器控制模块、芯片控制器驱动模块、切换开关组控制模块及数据处理模块；数据采集模块用于采集光电转换模块转换的电信号、并送入数据处理模块进行数据处理得到待测微环芯片电控特性；扫描激光器控制模块、芯片控制器驱动模块、切换开关组控制模块分别用于控制扫描激光器、芯片控制器、切换开关组。
更进一步的，所述微环芯片电控特性的自动测试装置的测试过程为：
通过切换开关组选择待测微环芯片中任一光路，针对该光路中单个微环单元的测试过程为：芯片控制器驱动模块向芯片控制器发出信号电平固定步长递增的周期性芯片控制信号，每个周期内扫描激光器控制模块在芯片控制信号触发下向扫描激光器发出多电平的阶梯型控制信号；从而实现芯片控制器对待测微环单元工作状态调节，扫描激光器发射相应扫描光信号输入微环单元，微环单元输出光信号通过光电转换模块转换为电信号，电信号经过数据采集和数据处理得到微环单元电控特性；
重复上述过程即可测试得对应光路中的每一个微环单元电控特性，再通过切换开关组切换待测微环芯片光路，从而实现待测微环芯片所有微环单元电控特性的测试，整个测试过程由自动测试分析平台采用时序控制自动完成。
上述切换开关组包括连接待测微环芯片输入端的1×N切换开关和连接待测微环芯片输出端的N×1切换开关，通过待测微环芯片输入端和输出端的组合选择实现光路的切换。
需要说明的是，本发明中数据处理模块数据处理过程包括***误差补偿、波长相关损耗曲线计算，确定曲线的极值点并计算微环谐振波长和输出光功率的变化量，最后输出微环芯片的电控特性曲线。
本发明提供一种微环芯片电控特性的自动测试装置，采用波长相关损耗曲线的计算方法确定待测微环谐振波长和输出光功率随驱动电压的变化信息，并通过严格的时序控制实现快速扫描微环芯片的工作状态，得到待测微环芯片的电控特性曲线，实现微环芯片电控特性的自动测试。本发明适用于各种功能结构或集成规模的微环芯片，能够对不同物理效应的电控方式进行自动测试分析，包括基于集成加热电阻的温控、基于各种电极的载流子注入控制等；尤其适用于测定基于微环光开关单元的大规模光交换集成芯片内部每个微环光开关的初始开关状态和最佳工作波长，迅速使交换芯片处于稳定的交换功能状态。
附图说明
图1是具体实施方式中微环芯片电控特性的自动测试装置的示意框架图。
图2是具体实施方式中扫描激光器控制信号和芯片控制器控制信号的时序图。
图3是具体实施方式中波长相关损耗计算得光谱示意图。
图4是具体实施方式中测试得微环单元的电控特性曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本实施例中采用用于光通信网络中的4×4光交换集成芯片作为待测微环芯片，即有4个输入端口和4个输出端口；该交换芯片由基于微环谐振器(MRR)的2×2马赫-曾德尔干涉(MZI)光开关单元，其中MZI干涉臂上都耦合了一个微环谐振器，通过改变微环谐振器上的驱动电压或电流，能够切换任意一路输入信号到任意一路输出端口，从而实现无阻塞的光交换功能。驱动光开关单元的电控原理是：通过对微环单元中p-i-n两端的电极施加偏置电压来改变微环波导掺杂区中的载流子浓度，从而改变该微环单元的谐振波长，达到控制光开关开关状态的目的。
在本实施例中，如图1所示为微环芯片电控特性的自动测试装置的示意框架图，包括自动测试分析平台、芯片控制器、扫描激光器、光电转换模块以及切换开关组，自动测试分析平台包括数据采集卡、扫描激光器控制程序、芯片控制器驱动程序及数据处理程序。通过使用运行于计算机平台上的Matlab软件和LabVIEW软件来完成数据处理、扫描激光器和芯片控制器的控制，即为自动测试分析平台；Matlab软件主要用于数据的分析处理(数据处理模块)，相应的信号处理模块实时处理数据采集卡(数据采集模块)传送过来的光谱数据；LabVIEW软件主要用于控制扫描激光器和芯片控制器，即为扫描激光器控制模块和芯片控制器驱动模块，相应的控制程序和Matlab程序协同工作，实现待测微环芯片电控特性的自动测试。
本实施例中，分布连接于待测微环芯片输入端和输出端的1×N和N×1切换开关构成切换开关组，用于改变光信号连接待测芯片的输入、输出端口，两个切换开关之间也可不经过待测微环芯片直接相连，用于补偿扫描激光器或光电转换模块带来的***误差。待测微环芯片有4个输入端口和4个输出端口，因此采用1×5和5×1切换开关即可。另外说明的是：以下测试过程仅针对特一光路进行说明，通过开关切换组切换光路即可实现待测微环芯片中所有微环单元电控性能测试。
测试过程中，芯片控制器驱动程序向芯片控制器发出周期性芯片控制信号，在一个测试周期内，芯片控制器驱动程序发出的控制信号电平维持恒定，以稳定保持当前微环芯片的工作状态；每个测试周期间芯片控制器驱动程序发出的控制信号电平呈固定步长递增，递增的控制信号电平幅度使芯片控制器输出递增的偏置电压来驱动待测微环芯片，即调节微环芯片工作状态；扫描激光器控制程序在芯片控制信号激发下，向扫描激光器发出一种多电平的阶梯型控制信号，每一个电平幅度对应于一个光波长，扫描激光器根据接收到的控制信号电平幅度大小发射出相应波长的恒定光功率信号输入微环芯片；两种控制信号的时序逻辑如图2所示。
当芯片控制器调节微环芯片的偏置电压ui后，扫描激光器开始输出波长扫描光信号，光电转换模块将该特定偏置电压ui下芯片的输出光功率P(ui,λj)转换为电信号，经数据采集卡变为数字信号储存在计算机里，计算机中的Matlab信号处理程序对其进行数据处理，***误差补偿后进行波长相关损耗计算，即ΔP(ui,λj)＝P(ui,λj)/P(u0,λj)；在特定的两个偏置电压下，典型的波长相关损耗曲线如图3所示；通过确定曲线的极大值和极小值及其对应的波长位置，计算得到偏置电压改变Δui＝ui-ui-1时微环谐振波长的改变量Δλ(Δui)和微环谐振峰透射功率的改变量ΔP(Δui)；在一定范围内对待测交换芯片的所有偏置电压进行扫描，即得到该微环谐振器的电控特性曲线，如图4所示。
重复上述过程，自动完成该光交换芯片内所有微环谐振器电控特性曲线的测试，综合分析能够快速确定每个MZI光开关单元的初始状态和所对应的开关驱动电压，从而对微环交换芯片精确控制，实现芯片交换功能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (2)
1.一种微环芯片电控特性的自动测试装置，包括自动测试分析平台、芯片控制器、扫描激光器、光电转换模块以及切换开关组，其中，
扫描激光器用于提供扫描光信号，扫描光信号通过切换开关组输入待测微环芯片；
切换开关组用于待测微环芯片中光路的切换；
芯片控制器用于调节待测微环芯片中各微环单元的工作状态；
光电转换模块用于将待测微环芯片输出端输出的光信号转化为电信号；
自动测试分析平台用于控制扫描激光器、切换开关组、芯片控制器，以及电信号的采集和处理；所述自动测试分析平台包括数据采集模块、扫描激光器控制模块、芯片控制器驱动模块、切换开关组控制模块及数据处理模块；数据采集模块用于采集光电转换模块转换的电信号并送入数据处理模块进行数据处理得到待测微环芯片电控特性；扫描激光器控制模块、芯片控制器驱动模块、切换开关组控制模块分别用于控制扫描激光器、芯片控制器、切换开关组；
该装置的测试过程为：
通过切换开关组选择待测微环芯片中任一光路，针对该光路中单个微环单元的测试过程为：芯片控制器驱动模块向芯片控制器发出信号电平固定步长递增的周期性芯片控制信号，每个周期内扫描激光器控制模块在芯片控制信号触发下向扫描激光器发出多电平的阶梯型控制信号；从而实现芯片控制器对待测微环单元工作状态调节，扫描激光器发射相应扫描光信号输入微环单元，微环单元输出光信号通过光电转换模块转换为电信号，电信号经过数据采集和数据处理得到微环单元电控特性；
重复上述过程即可测试得对应光路中的每一个微环单元电控特性，再通过切换开关组切换待测微环芯片光路，从而实现待测微环芯片所有微环单元电控特性的测试，整个测试过程由自动测试分析平台采用时序控制自动完成。
2.按权利要求1所述微环芯片电控特性的自动测试装置，其特征在于，所述切换开关组包括连接待测微环芯片输入端的1×N切换开关和连接待测微环芯片输出端的N×1切换开关，通过待测微环芯片输入端和输出端的组合选择实现光路的切换。
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