Automatic calibration and control system of optical switching delay line

CHEN Yifei; SHI Shangqing; YUN Binfeng

doi:10.37188/OPE.20233115.2161

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Automatic calibration and control system of optical switching delay line

Modern Applied Optics | 更新时间：2023-08-28

- Automatic calibration and control system of optical switching delay line
- Optics and Precision Engineering Vol. 31, Issue 15, Pages: 2161-2170(2023)
- 作者机构：
  
  东南大学电子科学与工程学院先进光子学中心，江苏南京 210096
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20233115.2161
  CLC： TN256
- Received：07 February 2023，
  
  Revised：23 February 2023，
  
  Published：10 August 2023
- 稿件说明：
移动端阅览
陈逸飞,史上清,恽斌峰.光开关切换延时线自动标定与控制系统[J].光学精密工程,2023,31(15):2161-2170.

CHEN Yifei,SHI Shangqing,YUN Binfeng.Automatic calibration and control system of optical switching delay line[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(15):2161-2170.
陈逸飞,史上清,恽斌峰.光开关切换延时线自动标定与控制系统[J].光学精密工程,2023,31(15):2161-2170. DOI： 10.37188/OPE.20233115.2161.

CHEN Yifei,SHI Shangqing,YUN Binfeng.Automatic calibration and control system of optical switching delay line[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(15):2161-2170. DOI： 10.37188/OPE.20233115.2161.

摘要

光开关切换延时线芯片中各光开关的驱动电压标定和控制需使用多通道光功率计、可编程多通道电压源阵列等分立仪器，存在成本高、扩展困难的问题。设计并制作了一套低成本、易扩展的光开关切换延时线自动标定与控制系统，其中多通道光功率计模块可探测

53~

7.7 dBm内的光功率，误差小于0.5 dB；多通道电压输出模块可高精度稳定输出0~10 V的直流电压，输出电压波动小于±0.5 mV；使用单片机控制各模块协同工作并连接上位机实现人机交互。使用本系统对5-bit光开关切换延时线进行了自动标定和控制，结果显示，在32级延时状态下，延时线芯片输出端的透射光谱在1 560 nm波长附近的波动均小于1 dB，对应的延时步进为3.110 9 ps/state。该结果与商用仪器标定电压下测得的3.062 0 ps/state的延时步进高度吻合。本文设计制作的标定与控制系统精度高、成本低、扩展性强，具有很高的应用价值。

Abstract

Calibrating the driving voltage of each optical switch in optical switched delay line （OSDL） chips requires a multichannel optical power meter， a programmable multichannel voltage source， and other discrete instruments， which causes the problems of high cost and system complexity when the chip scale increases. In this paper， an automatic calibration and control system is proposed for OSDL chips， which includes the functions of a multichannel optical power meter and a multichannel adjustable voltage source. The power detection range is from

53 to

7.7 dBm， with an error of

0.5 dB. The voltage output range is 0-10 V， and the fluctuations are within ±0.5 mV. A microcontroller unit is used to control all parts of the system and communicate with the computer. When the driving voltages of a 5-bit OSDL chip are calibrated with the proposed system， the measured fluctuations of the transmission spectra of all 32 delay states are approximately 1 dB near 1 560 nm， and the measured delay step is 3.110 9 ps/state， which is consistent with the result of 3.062 0 ps/state obtained via calibration using commercial instruments. The proposed system achieved the same calibration and control effect as the commercial instruments and has the advantages of low cost and easy scalability. It has good application prospects.

关键词

Keywords

references

MARAM R ， KAUSHAL S ， AZAÑA J ， et al . Recent trends and advances of silicon-based integrated microwave photonics ［J］. Photonics ， 2019 ， 6 （ 1 ）： 13 . doi: 10.3390/photonics6010013 http://dx.doi.org/10.3390/photonics6010013

YAO J P . Microwave photonics ［J］. Journal of Lightwave Technology ， 2009 ， 27 （ 3 ）： 314 - 335 . doi: 10.1109/jlt.2008.2009551 http://dx.doi.org/10.1109/jlt.2008.2009551

TSOKOS C ， ANDRIANOPOULOS E ， RAPTAKIS A ， et al . True time delay optical beamforming network based on hybrid inp-silicon nitride integration ［J］. Journal of Lightwave Technology ， 2021 ， 39 （ 18 ）： 5845 - 5854 . doi: 10.1109/jlt.2021.3089881 http://dx.doi.org/10.1109/jlt.2021.3089881

ZHU C ， LU L J ， SHAN W S ， et al . Silicon integrated microwave photonic beamformer ［J］. Optica ， 2020 ， 7 （ 9 ）： 1162 - 1170 . doi: 10.1364/optica.391521 http://dx.doi.org/10.1364/optica.391521

ROTMAN R ， TUR M ， YARON L . True time delay in phased arrays ［J］. Proceedings of the IEEE ， 2016 ， 104 （ 3 ）： 504 - 518 . doi: 10.1109/jproc.2016.2515122 http://dx.doi.org/10.1109/jproc.2016.2515122

MOREIRA R L ， GARCIA J ， LI W Z ， et al . Integrated ultra-low-loss 4-bit tunable delay for broadband phased array antenna applications ［J］. IEEE Photonics Technology Letters ， 2013 ， 25 （ 12 ）： 1165 - 1168 . doi: 10.1109/lpt.2013.2261807 http://dx.doi.org/10.1109/lpt.2013.2261807

ZHOU L J ， WANG X Y ， LU L J ， et al . Integrated optical delay lines： a review and perspective ［J］. Chinese Optics Letters ， 2018 ， 16 （ 10 ）： 101301 . doi: 10.3788/col201816.101301 http://dx.doi.org/10.3788/col201816.101301

ZHENG P F ， WANG C Q ， XU X M ， et al . A seven bit silicon optical true time delay line for ka-band phased array antenna ［J］. IEEE Photonics Journal ， 2019 ， 11 （ 4 ）： 1 - 9 . doi: 10.1109/jphot.2019.2927487 http://dx.doi.org/10.1109/jphot.2019.2927487

ZHENG P F ， XU X M ， LIN D D ， et al . A wideband 1 × 4 optical beam-forming chip based on switchable optical delay lines for Ka-band phased array ［J］. Optics Communications ， 2021 ， 488 ： 126842 . doi: 10.1016/j.optcom.2021.126842 http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2021.126842

郑鹏飞，恽斌峰 . 可重构自耦合微环辅助的MZI集成光子滤波器［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 1 ）： 1 - 9 . doi: 10.3788/ope.20202801.0001 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20202801.0001

ZHENG P F ， YUN B F . Reconfigurable optical filter based on self-couple ring resonator assisted MZI structure ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 1 ）： 1 - 9 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20202801.0001 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20202801.0001

LIN D D ， XU X M ， ZHENG P F ， et al . A tunable optical delay line based on cascaded silicon nitride microrings for ka-band beamforming ［J］. IEEE Photonics Journal ， 2019 ， 11 （ 5 ）： 1 - 10 . doi: 10.1109/jphot.2019.2941510 http://dx.doi.org/10.1109/jphot.2019.2941510

王旗，王希斌，孙小强，等 . 基于Norland紫外固化胶的热光开关器件［J］. 中国光学， 2012 ， 5 （ 2 ）： 194 - 198 . doi: 10.3788/co.20120502.0194 http://dx.doi.org/10.3788/co.20120502.0194

WANG Q ， WANG X B ， SUN X Q ， et al . Thermo-optic switch device based on Norland optical adhesive ［J］. Chinese Optics and Applied Optics Abstracts ， 2012 ， 5 （ 2 ）： 194 - 198 . （in Chinese） . doi: 10.3788/co.20120502.0194 http://dx.doi.org/10.3788/co.20120502.0194

XIE J Y ， ZHOU L J ， LI Z X ， et al . Seven-bit reconfigurable optical true time delay line based on silicon integration ［J］. Optics Express ， 2014 ， 22 （ 19 ）： 22707 - 22715 . doi: 10.1364/oe.22.022707 http://dx.doi.org/10.1364/oe.22.022707

SHI S Q ， HU G H ， LIN D D ， et al . Performance comparison of integrated optical switching delay lines on three typical photonic integration pilot lines ［J］. Optics & Laser Technology ， 2023 ， 159 ： 109016 . doi: 10.1016/j.optlastec.2022.109016 http://dx.doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.109016

LIN D D ， SHI S Q ， LIU P C ， et al . Low loss silicon nitride 1 × 4 microwave photonic beamforming chip ［J］. Optics Express ， 2022 ， 30 （ 17 ）： 30672 . doi: 10.1364/oe.469322 http://dx.doi.org/10.1364/oe.469322

SHI S Q ， LIN D D ， LIU P C ， et al . Non-invasive delay state calibration of silicon optical switching delay line ［J］. Journal of Lightwave Technology ， 2022 ， 40 （ 19 ）： 6444 - 6453 .

TAJIMA K ， NAKAMURA S ， UENO Y ， et al . Hybrid integrated symmetric Mach-Zehnder all-optical switch with ultrafast， high extinction switching ［J］. Electronics Letters ， 1999 ， 35 （ 23 ）： 2030 - 2031 . doi: 10.1049/el:19991372 http://dx.doi.org/10.1049/el:19991372

AULL B . Geiger-mode avalanche photodiode arrays integrated to all-digital CMOS circuits ［J］. Sensors （Basel， Switzerland）， 2016 ， 16 （ 4 ）： 495 . doi: 10.3390/s16040495 http://dx.doi.org/10.3390/s16040495

DJEKIC D ， FANTNER G ， BEHRENDS J ， et al . A transimpedance amplifier using a widely tunable PVT-independent pseudo-resistor for high-performance current sensing applications ［C］. ESSCIRC 2017 - 43rd IEEE European Solid State Circuits Conference . 1114，2017 ， Leuven ， Belgium . IEEE ， 2017 ： 79 - 82 . doi: 10.1109/esscirc.2017.8094530 http://dx.doi.org/10.1109/esscirc.2017.8094530

ROMANOVA A ， BARZDENAS V . A review of modern CMOS transimpedance amplifiers for OTDR applications ［J］. Electronics ， 2019 ， 8 （ 10 ）： 1073 . doi: 10.3390/electronics8101073 http://dx.doi.org/10.3390/electronics8101073

HOSSEINISHARIF SALI ， POURAHMADI M ， SHAYESTEH M R . Utilization of a cascoded-inverter in an RGC structure as a low-power， broadband TIA ［J］. Microelectronics Journal ， 2020 ， 99 ： 104749 . doi: 10.1016/j.mejo.2020.104749 http://dx.doi.org/10.1016/j.mejo.2020.104749

BAE W . CMOS inverter as analog circuit： an overview ［J］. Journal of Low Power Electronics and Applications ， 2019 ， 9 （ 3 ）： 26 . doi: 10.3390/jlpea9030026 http://dx.doi.org/10.3390/jlpea9030026

方文长，陈焰，张矿伟，等 . 嵌入式光功率计的研制［J］. 自动化仪表， 2020 ， 41 （ 11 ）： 21 - 27 . doi: 10.16086/j.cnki.issn1000-0380.2020010029 http://dx.doi.org/10.16086/j.cnki.issn1000-0380.2020010029

FANG W CH ， CHEN Y ， ZHANG K W ， et al . Development of embedded optical power meter ［J］. Process Automation Instrumentation ， 2020 ， 41 （ 11 ）： 21 - 27 . （in Chinese） . doi: 10.16086/j.cnki.issn1000-0380.2020010029 http://dx.doi.org/10.16086/j.cnki.issn1000-0380.2020010029

张翔，陈涛，金操帆，等 . 便携式光源、光功率计系统开发与设计［J］. 激光与光电子学进展， 2019 ， 56 （ 21 ）： 212301 . doi: 10.3788/LOP56.212301 http://dx.doi.org/10.3788/LOP56.212301

ZHANG X ， CHEN T ， JIN C F ， et al . Development and design of portable light source and optical power meter system ［J］. Laser & Optoelectronics Progress ， 2019 ， 56 （ 21 ）： 212301 . （in Chinese） . doi: 10.3788/LOP56.212301 http://dx.doi.org/10.3788/LOP56.212301

周松斌，林创鲁，刘洋，等 . 一种高精度可调标准电压源的设计［J］. 自动化与信息工程， 2012 ， 33 （ 2 ）： 26 - 29 . doi: 10.3969/j.issn.1674-2605.2012.02.009 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1674-2605.2012.02.009

ZHOU S B ， LIN C L ， LIU Y ， et al . Design of a high-precision adjustable standard voltage source ［J］. Automation & Information Engineering ， 2012 ， 33 （ 2 ）： 26 - 29 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1674-2605.2012.02.009 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1674-2605.2012.02.009

黄剑平，穆瑞珍 . 基于数字电位器的可编程电压基准源设计［J］. 电子器件， 2015 ， 38 （ 6 ）： 1296 - 1300 . doi: 10.3969/j.issn.1005-9490.2015.06.018 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1005-9490.2015.06.018

HUANG J P ， MU R ZH . The design of programmable voltage reference based on digital potentiometer ［J］. Chinese Journal of Electron Devices ， 2015 ， 38 （ 6 ）： 1296 - 1300 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1005-9490.2015.06.018 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1005-9490.2015.06.018

ACHTENBERG K ， MIKOŁAJCZYK J ， CIOFI C ， et al . Low-noise programmable voltage source ［J］. Electronics ， 2020 ， 9 （ 8 ）： 1245 . doi: 10.3390/electronics9081245 http://dx.doi.org/10.3390/electronics9081245

肖岚，袁银麟，翁建文，等 . 基于振镜的准直光源功率稳定控制器［J］. 光学精密工程， 2022 ， 30 （ 24 ）： 3189 - 3197 . doi: 10.37188/ope.20223024.3189 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20223024.3189

XIAO L ， YUAN Y L ， WENG J W ， et al . Power stability controller for collimating-light source based on scanlab ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2022 ， 30 （ 24 ）： 3189 - 3197 . （in Chinese） . doi: 10.37188/ope.20223024.3189 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20223024.3189

JUNG W G . Op Amp Applications Handbook ［M］. Amsterdam ： Newnes ， 2005 . doi: 10.1016/b978-075067844-5/50156-9 http://dx.doi.org/10.1016/b978-075067844-5/50156-9

冯勇，张文喜，伍洲，等 . 半导体激光器电流调制实现短相干光源［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 6 ）： 1321 - 1328 . doi: 10.37188/ope.20212906.1321 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20212906.1321

FENG Y ， ZHANG W X ， WU ZH ， et al . Short coherent light source based on current modulation in semiconductor lasers ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2021 ， 29 （ 6 ）： 1321 - 1328 . （in Chinese） . doi: 10.37188/ope.20212906.1321 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20212906.1321

史上清，刘鹏程，恽斌峰 . 硅基光开关切换延时线芯片延时测量稳定性研究［J］. 光学学报， 2022 ， 42 （ 20 ）： 2013001 . doi: 10.3788/AOS202242.2013001 http://dx.doi.org/10.3788/AOS202242.2013001

SHI SH Q ， LIU P CH ， YUN B F . Delay measurement stability of silicon-based optical switching delay line chip ［J］. Acta Optica Sinica ， 2022 ， 42 （ 20 ）： 2013001 . （in Chinese） . doi: 10.3788/AOS202242.2013001 http://dx.doi.org/10.3788/AOS202242.2013001

Views

604

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Investigation on interference filter within planar waveguides

Parameter calibration of laser tracking attitude measurement system based on multi-position targets

Positioning error compensation of 6-DOF robots based on anisotropic error similarity

Three-dimensional light field endoscope calibration based on light field disparity amplifier and super-resolution network

Broadband microwave frequency down-conversion using cascade Mach-Zehnder modulators to capture the target distance information

Related Author

LI Xiao-qi

SUN De-gui

XIONG Zhi

ZHONG Chenxiaopeng

ZHANG Hao

JIA Xiaodong

GUO Zhengnan

ZHAO Ziyue

Related Institution

State Key Laboratory of Applied Optics,Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033,China

Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China

Institute of Microelectronics， Chinese Academy of Sciences

Changcheng Institute of Metrology & Measurement

Hubei Key Laboratory of Modern Manufacture Quality Engineering， School of Mechanical Engineering， Hubei Wniversity of Technology

Address：No.3888 Dong Nanhu Road, Changchun, Jilin, China Postal code：130033
Tel：0431-86176855 Email：gxjmgc@ciomp.ac.cn
Technical support is provided by Beijing Founder electronics co., LTD 吉ICP备11002662号-17 京公网安备11010802024621
It is recommended to read the content of this site in Chrome&IE9+. Please switch to extreme mode in browser 360.
Cookies We use cookies to help provide and enhance our service and tailor content. By continuing, you agree to the use of cookies.

⁰