CN101345585A - 嵌套马赫-曾德波导结构的光差分四相移键控调制器 - Google Patents

嵌套马赫-曾德波导结构的光差分四相移键控调制器 Download PDF

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Abstract

一种嵌套马赫-曾德波导结构的光差分四相移键控调制器,包括有:预编码器、激光器、分离器和耦合器,还设置有由两个马赫-曾德型干涉仪结构调制器组成的嵌套式马赫-曾德型干涉仪结构调制器;所述的预编码器的输出分别连接构成嵌套式马赫-曾德型干涉仪结构调制器的两个马赫-曾德型干涉仪结构调制器;激光器、分离器、嵌套式马赫-曾德型干涉仪结构调制器以及耦合器依次连接。嵌套式马赫-曾德型干涉仪结构调制器是由第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器嵌套在第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器的内部构成。本发明使器件的长度明显缩短,降低了超长结构器件一系列工艺制作的难度,能显著提高成品率;降低了光的分叉损耗,提高了产品的性能;能显著降低生产成本。

Description

嵌套马赫-曾德波导结构的光差分四相移键控调制器
技术领域
本发明涉及一种光差分四相移键控调制器。特别是涉及一种用于长距离高速大容量的通信系统中,能显著降低波导传输损耗,显著提高成品率和显著降低生产成本,的嵌套马赫-曾德波导结构的光差分四相移键控调制器。
背景技术
随着光纤传输系统的发展,用于高速长距离光通信系统的调制格式研究也有很大进展。衡量一种调制格式的性能优劣,须结合具体的情况。总体来说,对调制格式的要求为:压缩频谱,可以提高频谱效率、增大色散容限、降低对放大器放大范围的要求;高的非线性容限,为了减小由非线性造成的传输损伤,频谱不能过窄;发射机和接收机要简单化,以降低实现难度和成本。
光差分四相移键控(DQPSK)调制格式是近年光传输技术研究的热点。与开关键控(OOK)、差分相移键控(DPSK)等二进制调制格式相比,光DQPSK调制具有非常窄的频谱宽度和较高的频谱利用率;作为四相位调制格式,在相同的信息速率下,DQPSK的码元速率仅为二进制信号的1/2,即20Gb/s的码元速率就可实现40Gb/s的信息传输速率;DQPSK具有较大的色散容限、PMD容限和较大的非线性容限;因此,更适合于高速长距离和超长距离光通信系统。同时,DQPSK还具有与DPSK调制相同的使用平衡接收,相比OOK调制能提高3dB的接收灵敏度。
四相(绝对移)相移键控(QPSK)是利用4种不同相位来表征数字信息。由于每一(个)种相位代表2bit信息,故每个四进制码元又被称为双比特码元。所谓DQPSK是将信息编码于连续光比特的差分相位中。对输入的双比特码元,差分相位可以取[0、π/2、π、3π/2](A方式)或[π/4,3π/4,5π/4,7π/4](B方式)中的一个值。由于使用了差分编码方式,能够有效避免因接收机相位反转导致的解码失败。
近年发展起来的DQPSK调制方式主要有串联和并联两种。串联调制方式是将一个相位调制器和一个马赫-曾德(M-Z)调制器串联使用,它的结构虽然比较简单,但是对两个调制器的失调容限较低,易受相位噪声的影响。并联调制方式是将两个马赫-曾德(M-Z)调制器14并联使用,如图1所示,这种器件在结构上也有缺点。并联调制方式使用两个M-Z调制器,但组成了三个M-Z结构,其输入输出波导两端均为Y分支结构,为了降低分叉损耗,Y分支结构处的夹角一般都小于3度,由于调制器的两臂要达到足够的分开距离,在小角度的情况下,两臂需要有足够的长度。而两臂波导的长度越长,意味着体积越大,同时也意味着成本越高。另一方面,波导长度越长,波导传输损耗自然也越大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是,提供一种用于长距离高速大容量的通信系统中,能显著降低波导传输损耗,显著提高成品率和显著降低生产成本,的嵌套马赫-曾德波导结构的光差分四相移键控调制器。
本发明所采用的技术方案是:一种嵌套马赫-曾德波导结构的光差分四相移键控调制器,包括有:预编码器、激光器、分离器和耦合器,还设置有由两个马赫-曾德型干涉仪结构调制器组成的嵌套式马赫-曾德型干涉仪结构调制器;其中,所述的预编码器的输出分别连接构成嵌套式马赫-曾德型干涉仪结构调制器的两个马赫-曾德型干涉仪结构调制器;激光器、分离器、嵌套式马赫-曾德型干涉仪结构调制器以及耦合器依次连接。
所述的嵌套式马赫-曾德型干涉仪结构调制器包括有第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器和第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器,其中,所述的第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器嵌套在第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器的内部,第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器和第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器的输入端均连接分离器的输出端,在第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器的内部,第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器的输出端依次通过移相器、热衰减器后与第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器的输出端一起连接耦合器。
所述的第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器和第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器的分支波导上分别设置有电极。
所述的第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器采用S弯曲形分支波导,为三分支,实现1∶2∶1的功率分配。
所述的第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器的输入输出波导为Y分支结构,实现等功率分配。
所述的移相器的相位延迟为π/2。
所述的嵌套式马赫-曾德型干涉仪结构调制器包括有第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器和第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器,其中,所述的第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器嵌套在第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器的内部,第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器和第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器的输入端均连接分离器的输出端,在第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器的内部,第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器的输出端通过移相器后与第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器的输出端一起连接耦合器。
所述的第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器和第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器的分支点在同一点,输入波导为1×4分支结构,实现等功率分配;分支波导部分采用Si/SiO2波导,而平行波导部分采用LiNbO3波导,所述的Si/SiO2波导与LiNbO3波导两者拼接。
所述的第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器和第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器的分支波导上分别设置有电极。
本发明的嵌套马赫-曾德波导结构的光差分四相移键控调制器,具有以下的优点:
本发明采用S形弯曲波导结构,利用嵌套结构和S形弯曲波导,相对于传统的并联方式的DQPSK调制结构上少了一个M-Z结构,从而使器件的长度明显缩短,降低了超长结构器件一系列工艺制作的难度,能显著提高成品率;
对于分支结构,分支角的减小可相应地减小光的分叉损耗。本发明中外MZ结构采用S形弯曲波导,在对器件长度影响不是太大的情况下,内嵌套的MZ结构波导的分支角可以做到更小,从而降低了光的分叉损耗,提高了产品的性能。
本发明另一种DQPSK调制器结构以Si/SiO2材料代替LiNbO3材料制作分支波导,利用了Si/SiO2波导插入损耗低的优点,同时,制作Si/SiO2波导材料和工艺所需的成本都比制作LiNbO3波导要低;
以Si/SiO2材料制作的分支波导因插入损耗小,且受分支角的影响比LiNbO3波导小,可以采用更大的分支角,从而减小分支波导长度,进而实现减小器件长度的目的;
器件长度的减小,实际上是光波导总长度的减小,这样既减小了光波导中的传输损耗,同时也减少了衬底材料、波导材料等原料的消耗,从而能显著降低生产成本。
本发明可以很好地提高DQPSK调制器的性能价格比。
附图说明
图1是现有的平行并列马赫-曾德波导结构DQPSK调制器的结构示意图;
图2是本发明嵌套马赫-曾德波导结构DQPSK调制器结构示意图;
图3是本发明的S形分支嵌套马赫-曾德波导结构示意图;
图4是本发明的Si/SiO2波导与LiNbO3波导拼接的嵌套马赫-曾德波导结构示意图;
图5是调制器输入信号I、Q与耦合后输出光信号的相位的关系图;
图6a是传统的并联方式DQPSK调制器对器件长度影响的说明图;
图6b是本发明的嵌套马赫-曾德波导结构DQPSK调制器对器件长度影响的说明图。
其中:
1:预编码器                    2:分离器
3:第一M-Z型干涉仪结构调制器   4:第二M-Z型干涉仪结构调制器
5:移相器                      6:耦合器
7:电极                        8:S形分支波导
9:Si/SiO2波导                 10:热衰减器
11:激光器                     12:嵌套式M-Z型干涉仪结构调制器
13:LiNbO3波导
具体实施方式
下面结合实施例附图对本发明的嵌套马赫-曾德波导结构的光差分四相移键控调制器做出详细说明。
如图2所示,本发明的嵌套马赫-曾德波导结构的光差分四相移键控调制器,包括有:预编码器1、激光器11、分离器2和耦合器6,还设置有由两个马赫-曾德(Mach-Zehnder)型干涉仪结构调制器组成的嵌套式马赫-曾德型干涉仪结构调制器12;其中,所述的用于产生差分编码数据预编码器1的输出分别连接构成嵌套式马赫-曾德型干涉仪结构调制器12的两个马赫-曾德型干涉仪结构调制器,两个马赫-曾德型干涉仪结构调制器分别接收预编码器1产生的双数据流信号I、Q;激光器11、分离器2、嵌套式马赫-曾德型干涉仪结构调制器12以及耦合器6依次连接。
如图3所示,所述的嵌套式马赫-曾德型干涉仪结构调制器12包括有第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器3和第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器4,其中,所述的第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器4嵌套在第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器3的内部,第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器3和第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器4的输入端均连接分离器2的输出端;在第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器3的内部,第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器4的输出端依次通过移相器5、热衰减器10后与第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器3的输出端一起连接耦合器6。所述的移相器5的相位延迟为π/2。因两个马赫-曾德型干涉仪结构调制器的光路不同,损耗大小也有差异,故需要利用热衰减器10,通过调节热衰减器10使内、外两个马赫-曾德型干涉仪结构调制器输出光功率相等。所述的第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器3和第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器4的分支波导上分别设置有电极7。
在上述的结构中,所述的第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器3采用S弯曲形分支波导,为三分支,实现1∶2∶1的功率分配。所述的第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器4的输入输出波导为Y分支结构,分支角可以很小(为2-3度或更小)实现等功率分配。
分支波导采用S形结构,可以实现在更短的纵向长度上得到较大的横向分支距离,从而缩短总的器件长度(这样外部的马赫-曾德型干涉仪结构调制器分支在长度上没有很大延伸,可以远远小于Y分支长度,只是在宽度上有所增加)。
如图4所示,所述的嵌套式马赫-曾德型干涉仪结构调制器12的构成还可以是:包括有第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器3和第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器4,其中,所述的第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器4嵌套在第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器3的内部,第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器3和第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器4的输入端均连接分离器2的输出端,在第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器3的内部,第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器4的输出端通过移相器5后与第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器3的输出端一起连接耦合器6。
在上述的结构中,所述的第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器3和第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器4的分支点在同一点,输入波导为1×4分支结构,实现等功率分配;分支波导部分采用Si/SiO2波导材料9,而连接移相器5的平行波导部分采用LiNbO3波导材料13,所述的Si/SiO2波导9与LiNbO3波导13两者拼接。此结构中也可使用衰减器,调节第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器4的输出光功率。所述的第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器3和第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器4的分支波导上分别设置有电极7。
因为Si/SiO2波导受分支角的影响远小于LiNbO3波导,这样,马赫-曾德型干涉仪结构调制器的Y分支可以采用较大的分支角,而分支的长度也随角度增大而减小(也只是在宽度上有所增加)。
本发明所述的嵌套马赫-曾德波导结构的光差分四相移键控调制器,其中输入信号是双比特码元u、v,经过预编码器编码1后的信号是I和Q,两路信号I和Q分别作为第一和第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器3、4的驱动信号,激光器11产生的激光通过光功率分离器2后分别输入到两个马赫-曾德型干涉仪结构调制器3、4进行相位调制,(然后将)调制后的Q支路光信号再经移相器5相移π/2后,再利用热衰减器10调节马赫-曾德输出的光功率,使其与I支路光信号功率相同,通过光功率耦合器6与I支路光信号耦合,即实现了光的DQPSK调制。
具体地说,对于两个马赫-曾德型干涉仪结构调制器,当输入的差分编码信号为0时,马赫-曾德型干涉仪结构调制器输出相位为0的光信号,当输入的差分编码信号为1时,马赫-曾德型干涉仪结构调制器输出光功率幅度相同、相位差为π的光信号,即差分编码信号对光载波信号进行相位为0或π的相位调制。而Q支路光信号再经过移相器π/2的相移,以相位为π/2和3π/2的光信号代表0和1数据信号。
从下表中可看到调制器输入信号I、Q与耦合后输出光信号的相位的关系
  I   0   0   1   1
  Q   0   1   1   0
  Ψ   π/4   3π/4   5π/4   7π/4
从图5也可以看到调制器输入信号I、Q与耦合后输出光信号的相位的关系。当I、Q输入分别为00、01、11、10时,两马赫-曾德型干涉仪结构调制器输出的光经耦合后,光场相位分别对应为π/4、3π/4、5π/4、7π/4。
结合附图6,对本发明DQPSK调制器尺寸减小的实现进行简单说明。如图6a为传统的并联方式DQPSK调制器的简化图,假设两马赫-曾德型干涉仪结构调制器的两平行臂长度均为L,两臂间距为g,第一MZ结构的下分支与第二MZ结构的上分支之间的间距为s,Y分支的夹角设为3度。如图6b为本发明的嵌套马赫-曾德(MZ)波导结构DQPSK调制器简化图,可以设第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器两平行臂间距为w,分支角为3度。这两种结构对于器件长度的影响不同主要由分支的总长度决定。近似计算情况下,前者分支的总长度2(L1+L2)为120(2g+s)/π,后者分支的总长度2L为120w/π。如果将间距w设置成与g近似的话,则嵌套MZ结构相对平行并列MZ结构长度可以减小1/2甚至更小。当然,这也意味着要求内外两个马赫-曾德型干涉仪结构调制器各平行臂之间的间距更小,这一点可以通过电极结构的改进设计来实现。当外马赫-曾德型干涉仪结构调制器的Y分支采用S形弯曲波导结构时,可以减小分支结构的长度,因此能更好的减小调制器的尺寸。

Claims (9)

1.一种嵌套马赫-曾德波导结构的光差分四相移键控调制器,包括有:预编码器(1)、激光器(11)、分离器(2)和耦合器(6),其特征在于,还设置有由两个马赫-曾德型干涉仪结构调制器组成的嵌套式马赫-曾德型干涉仪结构调制器(12);其中,所述的预编码器(1)的输出分别连接构成嵌套式马赫-曾德型干涉仪结构调制器(12)的两个马赫-曾德型干涉仪结构调制器;激光器(11)、分离器(2)、嵌套式马赫-曾德型干涉仪结构调制器(12)以及耦合器(6)依次连接。
2.根据权利要求1所述的嵌套马赫-曾德波导结构的光差分四相移键控调制器,其特征在于,所述的嵌套式马赫-曾德型干涉仪结构调制器(12)包括有第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器(3)和第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器(4),其中,所述的第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器(4)嵌套在第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器(3)的内部,第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器(3)和第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器(4)的输入端均连接分离器(2)的输出端,在第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器(3)的内部,第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器(4)的输出端依次通过移相器(5)、热衰减器(10)后与第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器(3)的输出端一起连接耦合器(6)。
3.根据权利要求2所述的嵌套马赫-曾德波导结构的光差分四相移键控调制器,其特征在于,所述的第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器(3)和第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器(4)的分支波导上分别设置有电极(7)。
4.根据权利要求2所述的嵌套马赫-曾德波导结构的光差分四相移键控调制器,其特征在于,所述的第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器(3)采用S弯曲形分支波导,为三分支,实现1∶2∶1的功率分配。
5.根据权利要求2所述的嵌套马赫-曾德波导结构的光差分四相移键控调制器,其特征在于,所述的第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器(4)的输入输出波导为Y分支结构,实现等功率分配。
6.根据权利要求2所述的嵌套马赫-曾德波导结构的光差分四相移键控调制器,其特征在于,所述的移相器(5)的相位延迟为π/2。
7.根据权利要求1所述的嵌套马赫-曾德波导结构的光差分四相移键控调制器,其特征在于,所述的嵌套式马赫-曾德型干涉仪结构调制器(12)包括有第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器(3)和第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器(4),其中,所述的第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器(4)嵌套在第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器(3)的内部,第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器(3)和第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器(4)的输入端均连接分离器(2)的输出端,在第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器(3)的内部,第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器(4)的输出端通过移相器(5)后与第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器(3)的输出端一起连接耦合器(6)。
8.根据权利要求7所述的嵌套马赫-曾德波导结构的光差分四相移键控调制器,其特征在于,所述的第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器(3)和第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器(4)的分支点在同一点,输入波导为1×4分支结构,实现等功率分配;分支波导部分采用Si/SiO2波导(9),而平行波导部分采用LiNbO3波导(13),所述的Si/SiO2波导(9)与LiNbO3波导(13)两者拼接。
9.根据权利要求7所述的嵌套马赫-曾德波导结构的光差分四相移键控调制器,其特征在于,所述的第一马赫-曾德型干涉仪结构调制器(3)和第二马赫-曾德型干涉仪结构调制器(4)的分支波导上分别设置有电极(7)。
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