CN120301556B - 一种cwdm4相位补偿长度半自动优化方法 - Google Patents
一种cwdm4相位补偿长度半自动优化方法Info
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Abstract
本发明公开了一种CWDM4相位补偿长度半自动优化方法，利用估算值得到stage1的补偿长度、的理想值；在时，在理想值附近扫描，得到满足一定条件的以dB为单位的透射率图像的的理想最佳值；在时利用双指针哈希统计方法得到并筛选出满足的、，排查得到最佳的透射率图像及对应的、的最佳值；对CWDM4实际Stage1进行扫描，得到补偿长度的实际最佳值。
Description
技术领域
本发明涉及硅光芯片技术领域，特别是涉及一种CWDM4 相位补偿长度半自动优化方法。
背景技术
粗波分复用技术 (CWDM）是一种能够在高密度互联中提升光波带宽的重要手段。CWDM4解复用器可以将100Gb/s 的光波输入解复用为四个通道的 CWDM光信号，对于CWDM420 nm 装置，其对应的四个光通道中心波长为 1271 nm、1291 nm、1311 nm以及1331 nm。相反，CWDM4复用器则可以实现上述过程的逆过程。
图 1 是 CWDM4 装置中标准阶梯（Stage）结构的示意图。从图中可以清晰地看出，stage 结构由 PTC 0.50、0.20、0.20、0.04 六个弧形波导（arc）结构组成，六个arc的长度分别用 、 、 、 、 和 表示，这六个长度称之为延迟长度或者补偿长度。同时定义左上角为端口2，左下角为端口1，右上角为端口4，右下角为端口3。
通常使用的 CWDM4 装置包含三个stage结构，将它们分别记为stage1、stage2a和stage2b，其连接方式如图2所示。相关的物理量定义如下：
: 图1所示的相位补偿长度，三个stage的对应长度的一般化表示；
: 图2所示stage 1 结构对应的相位补偿长度；
: 图2所示stage 2a结构对应的相位补偿长度；
: 图2所示stage 2b结构对应的相位补偿长度；
为了能够保证 CWDM4 装置具有良好的性能，Stage 1、Stage 2a和Stage 2b 中的相位补偿长度尤为关键。根据 CWDM4 Stage相位补偿长度的预设关系，可得：
从上面的公式可以看出，如果得到最佳的相位补偿长度 ，也就能同时得到与 的值。而相位补偿长度 可以用公式 进行估算：
其中：
: CWDM4的设计波长，取四个通道的中心波长；
: 期望的波长间距，等于设计通道中心波长间距 ；
: 波导的群折射率，通常由仿真结果获取或者由试验测量后计算得到。
由式 知， 与 ΔL（相位补偿长度估算值）成反比关系，即 、 和长度越长，CWDM4 各个通道中心波长之间的间距越小。
如果用定向耦合器（DC）代替图1中的PTC结构，如图3所示，再根据式 计算得到的估算值，在估算值附近手动对 、 和 的值进行调整，结合透射率图像通过人眼进行观察，选择合适的 和 ，接着再手动调整 、 和 的值，最终得到CWDM4整体结构的透射率图像。这是现有技术中手动调整获取最优性能的CWDM4结构的方式，但这种方式存在三个弊端：
一是费时费力，且很难将精度精确到 尺度。如果要在 的范围内使用步长 进行扫描，确定 和 的值至少需要 次手动操作，而确定、 和 的值则至少需要 次操作，工作量极大；但是当某两种组合结果比较接近需要进行比对的次数还未被纳入，如果加上这种情况的话，工作量会更大。例如，想要精确到 , 即步长值 ，如果此时在 区间上进行扫描，需要 次操作，时间成本极大。
二是由于缺乏评估标准，同时保证四个通道中心波长的偏移量总和最小很难实现。
三是 、 和 的值对 、 和 有微小的影响，仅靠手动操作，非常难获取最佳结果。
针对上述问题，本发明提出了一种CWDM4相位补偿长度半自动优化方法，使用该方法可以大幅度降低获取到最佳性能 CWDM4 结构的人工成本及时间成本。且可以将相位补偿长度精确到 尺度，从而大幅度提升集成光路的性能。
发明内容
一种CWDM4相位补偿长度半自动优化方法，其包括如下步骤：
步骤1：将CWDM4结构中的工艺容差耦合器（PTC）利用定向耦合器（DC）代替，计算得到使用DC时的理想CWDM4结构中的相位补偿长度估算值ΔL；
步骤2：将步骤1计算出的ΔL作为CWDM4中的stage1的补偿长度 的理想值，按照下式计算得到补偿长度 的理想值：
步骤3：令 ，在步骤2获得的补偿长度理想值附近区域扫描 的长度，得到满足下式条件的以dB为单位的透射率图像，从而得到 的理想最佳值：
其中， 为输入光波的全光谱波长， 为输入光波以dB表示的透射率图像透射率损耗小于3dB各部分对应的中心波长 ； 为设计通道中心波长，CWDM4装置的中心波长分别对应 ，对应的i值为 ； 为stage 1 结构对应的相位补偿长度；为以dB为单位的透射率；
步骤4：以步骤3得到的理想结构CWDM4的 的理想最佳值设定实际CWDM4中Stage1结构中的 的值；令 ，利用双指针哈希统计方法得到 与 的各种组合可能性，筛选出满足的 、 的组合，在筛选出的 、组合值附近一次性绘制出多个图像，并用人眼排查得到最佳的透射率图像，选取最佳透射率图像对应的 、 的最佳值；
步骤5：基于步骤4获取到的 、 的最佳值，利用步骤3的方法对整个CWDM4实际的 Stage1 结构进行扫描，得到补偿长度 的实际最佳值；
步骤6：将CWDM4中Stage2a和Stage2b的补偿长度 和与对应的Stage1结构的补偿长度 、 保持一致，补偿长度 通过在略小于 的值附近通过手动调整和人眼观察的方式筛选出最佳值。
优选地，所述步骤3中的透射率 计算公式为：
其中， 为输出光功率， 为输入光功率。
优选地，所述步骤4中的双指针哈希统计方法为：
步骤4.1、创建一个空的字典对象dict1；dict1用以存放 值与 起始值和 终止值组成的字符串作为键和临时列表lst长度作为值组成的键值对；临时列表lst用以存放当 值不变时，满足当相邻两个 值之差小于阈值时的所有连续值；
步骤4.2、设置阈值threshold_value，其为两个相邻 值之差被允许的最大值；
步骤4.3、将左指针left_index 指向索引值0；
步骤4.4、左指针left_index进行while循环，直到指向索引值不小于列表lst_WGD2 的长度减 1；lst_WGD2为用以存放满足判定条件 所获取到的组合中的所有 组成的列表；
步骤4.5、重置临时列表对象lst为空；
步骤4.6、右指针right_index进行for循环遍历，从左指针left_index指向索引到列表lst_WGD2的长度结束；
步骤4.7、判断左指针left_index是否等于右指针right_index；
步骤4.8、若满足步骤4.7的判断条件，将lst_WGD3中右指针right_index的对应值添加进临时列表lst中，并继续进行步骤4.6的for循环；lst_WGD3为用以存放满足判定所获取到的 组合中的所有 组成的列表；
步骤4.9、若不满足步骤4.7的判断条件，判断左指针left_index对应的lst_WGD2列表中的值是否和右指针right_index对应的lst_WGD2列表中的值是否一致，且左指针left_index对应的lst_WGD3列表中的值是否和右指针right_index对应的lst_WGD3列表中的值之差小于阈值；
步骤4.10、若满足步骤4.9中的条件，将lst_WGD3中右指针right_index的对应值添加进临时列表lst中，并将左指针left_index设置为右指针right_index当前指向的索引值；
步骤4.11、进一步判断当前右指针right_index是否等于lst_WGD2列表长度减1，如果满足，将列表lst存放元素的个数作为值与列表lst中最小值与最大值拼接成的字符串作为键存放进dict1中，中断for循环，进入下一次while循环；
步骤4.12、若不满足步骤4.9中的条件，将列表lst存放元素的个数作为值与列表lst中最小值与最大值拼接成的字符串作为键存放进dict1中，中断for循环，进入下一次while 循环。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为CWDM4装置Stage示意图；
图2为CWDM4装置Stage结构之间的关系示意图；
图3为CWDM4使用理想定向耦合器构建的 Stage结构示意图；
图4为计算CWDM4装置最佳补偿长度 的流程图；
图5为计算CWDM4装置最佳补偿长度 的流程图；
图6为图5的方法中使用双指针哈希统计计算方法计算得到的部分结果；
图7为使用本发明的方法得到的CWDM4透射率图像百分比；
图8为使用本发明的方法得到的以dB显示的CWDM4透射率图像；
图9为现有方法中手动调整得到的CWDM4透射率图像百分比；
图10为现有方法中手动调整得到的以dB显示的CWDM4透射率图像。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种不同材料的波导交叉结构进行详细的说明。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，具体的理解为：可以同时包含有A与B，可以单独存在A，也可以单独存在B，能够具备上述三种任一种情况。
传统透射率损耗 (Insertion loss) 计算公式为：
为了图像显示上更为直观，定义以dB为单位的透射率 计算公式为：
参照图1-3的结构，令 ，在计算得出的 附近区域扫描 的长度，扫描后得到的以dB为单位的透射率图像需要满足以下条件：
其中，
: 输入光波的全光谱波长
: 输入光波以dB表示的透射率图像透射率损耗小于3dB各部分对应的中心波长。
: 设计通道中心波长，对于CWDM4装置，中心波长分别对应，对应的i值为 。
图 4 为上述具体实现过程对应的流程图。按照图 4 的流程，根据 式 ，可以初步获取图 3 结构的使用理想 DC 结构时最佳的 长度。在图4的流程中可以看出，由于目标端口出口的波长范围是给定的 1271 nm - 1331 nm，在这个波长以外的部分可以使用图像处理手段删除掉，否则可能会影响到公式（6）的应用。
接下来，扫描图1实际 Stage1结构中的 的长度。首先按照之前获取到的使用理想DC结构时的 最佳长度设定实际 Stage1结构中的 的值。其次，从图1中不难发现，使用了两个PTC 0.20，因此，令。扫描 与 的各种组合可能性，筛选出满足式 的组合并记录。
图 5 右侧为双指针哈希统计算法流程图，算法中使用到变量的含义如下：
left_index: 左指针（左指针指向索引值）；
right_index: 右指针（右指针指向索引值）；
lst_WGD2: 用以存放满足判定条件 式 所获取到的 组合中的所有 组成的列表；
lst_WGD3: 用以存放满足判定条件 式 所获取到的 组合中的所有 组成的列表；
threshold_value: 阈值，两个相邻 值之差被允许的最大值；
lst: 临时列表，用以存放当 值不变时，满足当相邻两个 值之差小于阈值时的所有连续 值；
dict1: 用以存放 值与 起始值和 终止值组成的字符串作为键和临时列表lst长度作为值组成的键值对。
图5中各步骤数字对应的操作步骤如下：
1：创建一个空的字典对象 dict1
2：设置 threshold_value=0.05(阈值可以根据需求调整)
3:将left_index 指向索引值0
4：left_index 进行 while 循环，直到指向索引值不小于列表lst_WGD2 的长度减 1
5:重置临时列表对象lst为空
6：right_index进行for循环遍历，从left_index指向索引到列表lst_WGD2的长度结束
7：判断left_index是否等于 right_index。
8:满足步骤7中提及的判断条件，将lst_WGD3中right_index的对应值添加进临时列表lst中，并继续进行第六步骤for循环。
9：不满足步骤 7 中的判断条件，判断left_index对应的lst_WGD2列表中的值是否和right_index对应的lst_WGD2列表中的值是否一致，且left_index对应的lst_WGD3列表中的值是否和right_index对应的lst_WGD3列表中的值之差小于阈值。
10：满足步骤9中提及的条件，将lst_WGD3中right_index的对应值添加进临时列表lst中，并将left_index设置为right_index当前指向的索引值。
11：进一步判断当前right_index是否等于lst_WGD2列表长度减1，如果满足，将列表lst存放元素的个数作为值与列表lst中最小值与最大值拼接成的字符串作为键存放进dict1中。中断for循环，进入下一次while循环。
12：不满足步骤9中的条件，将列表lst存放元素的个数作为值与列表lst中最小值与最大值拼接成的字符串作为键存放进dict1中。中断for循环，进入下一次while 循环。
使用上述算法后，得到如图 6 所示的输出数据（部分）。 其中第一列数据对应的值，第二列数据对应 的满足哈希统计算法中步骤 9 中阈值判定条件的起始值，第三列数据对应 的满足哈希统计算法中步骤 9 中阈值判定条件的终止值。Value 值表示当 取值给定时，在 起始值和 终止值的区间内，有多少个符合式 判定条件的组合。Value 值越大，表示透射率图像在该组合值附近越好越稳定。接着，找出 Value 最大值对应的组合，显然，此处为。且从图 6 中不难发现，在这组区间值附近的其它组合值也很不错，这意味着最佳补偿值大概率在这组区间值附近。最后，在这组区间值附近一次性绘制出多个图像并用人眼排查，从而获取到最佳的透射率图像。图 5 左侧流程图对应具体的实现过程。
最后，再次使用图 4 对应的整个流程，基于获取到的 最佳补偿长度对整个 CWDM4 实际的 Stage1 结构进行扫描，从而获取最佳的补偿长度。
对于 Stage2a和Stage2b，它们所对应的 补偿长度与Stage1结构保持一致，而 补偿长度可以通过在略小于 的补偿长度附近通过手动进行调整和人眼观察的方式筛选出最佳值。
图 7 为CWDM4最佳补偿长度下以百分比表示的透射率图像，图 8 为CWDM4 最佳补偿长度下以dB表示的透射率图像。从图8中可以看出，所有通道的串扰值均在-19dB以下，且各通道中心波长遭受的串扰在-23dB左右。
图9和图10为手动调整时获取到的较好的结果之一，对比图7和图 8获取到的最佳优化结果，手动调整获取到的透射率图像差强人意。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (3)
1.一种CWDM4 相位补偿长度半自动优化方法，其包括如下步骤：
步骤1：将CWDM4结构中的工艺容差耦合器利用定向耦合器代替，计算得到使用DC时的理想CWDM4结构中的相位补偿长度估算值ΔL；
步骤2：将步骤1计算出的ΔL作为CWDM4中的stage1的补偿长度 的理想值，按照下式计算得到补偿长度的理想值：
；
步骤3：令，在步骤2获得的补偿长度理想值附近区域扫描的长度，得到满足下式条件的以dB为单位的透射率图像，从而得到的理想最佳值：
；
其中，为输入光波的全光谱波长，为输入光波以dB表示的透射率图像透射率损耗小于3dB各部分对应的中心波长；为设计通道中心波长，CWDM4装置的中心波长分别对应，对应的i值为；为stage 1 结构对应的相位补偿长度；为以dB为单位的透射率；
步骤4：以步骤3得到的理想结构CWDM4的的理想最佳值设定实际CWDM4中Stage1结构中的的值；令 ，利用双指针哈希统计方法得到 与 的各种组合可能性，筛选出满足的、的组合，在筛选出的、组合值附近一次性绘制出多个图像，并用人眼排查得到最佳的透射率图像，选取最佳透射率图像对应的、的最佳值；
步骤5：基于步骤4获取到的、的最佳值，利用步骤3的方法对整个CWDM4实际的 Stage1 结构进行扫描，得到补偿长度的实际最佳值；
步骤6：将CWDM4中Stage2a和Stage2b的补偿长度和与对应的Stage1结构的补偿长度、保持一致，补偿长度通过在略小于 的值附近通过手动调整和人眼观察的方式筛选出最佳值。
2.根据权利要求1所述的一种CWDM4 相位补偿长度半自动优化方法，其特征在于：所述步骤3中的透射率计算公式为：
；
其中，为输出光功率，为输入光功率。
3.根据权利要求1所述的一种CWDM4 相位补偿长度半自动优化方法，其特征在于，所述步骤4中的双指针哈希统计方法为：
步骤4.1、创建一个空的字典对象dict1；dict1用以存放 值与起始值和终止值组成的字符串作为键和临时列表lst长度作为值组成的键值对；临时列表lst用以存放当 值不变时，满足当相邻两个值之差小于阈值时的所有连续 值；
步骤4.2、设置阈值threshold_value，其为两个相邻 值之差被允许的最大值；
步骤4.3、将左指针left_index 指向索引值0；
步骤4.4、左指针left_index进行while循环，直到指向索引值不小于列表lst_WGD2 的长度减 1；lst_WGD2为用以存放满足判定条件所获取到的组合中的所有组成的列表；
步骤4.5、重置临时列表对象lst为空；
步骤4.6、右指针right_index进行for循环遍历，从左指针left_index指向索引到列表lst_WGD2的长度结束；
步骤4.7、判断左指针left_index是否等于右指针right_index；
步骤4.8、若满足步骤4.7的判断条件，将lst_WGD3中右指针right_index的对应值添加进临时列表lst中，并继续进行步骤4.6的for循环；lst_WGD3为用以存放满足判定所获取到的组合中的所有 组成的列表；
步骤4.9、若不满足步骤4.7的判断条件，判断左指针left_index对应的lst_WGD2列表中的值是否和右指针right_index对应的lst_WGD2列表中的值是否一致，且左指针left_index对应的lst_WGD3列表中的值是否和右指针right_index对应的lst_WGD3列表中的值之差小于阈值；
步骤4.10、若满足步骤4.9中的条件，将lst_WGD3中右指针right_index的对应值添加进临时列表lst中，并将左指针left_index设置为右指针right_index当前指向的索引值；
步骤4.11、进一步判断当前右指针right_index是否等于lst_WGD2列表长度减1，如果满足，将列表lst存放元素的个数作为值与列表lst中最小值与最大值拼接成的字符串作为键存放进dict1中，中断for循环，进入下一次while循环；
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