CN103135262B - 电光单边带调制器及其操作方法 - Google Patents

电光单边带调制器及其操作方法 Download PDF

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Abstract

一种电光单边带调制器及其操作方法，调制器包括：电光基板；双模光波导结构，形成在基板内，以支持具有相关联的光频率和光传播常数的不同光学模式，双模光波导结构包括用于接收具有光频率的输入光载波信号的光输入以及用于输出相应的SSB调制后的光信号的一对光输出，每个光输出具有带有单个旁瓣的光频谱；以及电极结构，形成在基板上，以接收具有相关联的电频率和电传播常数的输入电调制信号，作为响应地对双模光波导结构施加电场；双模光波导结构和电极结构形成为使得光学模式的光传播常数和电调制信号的电传播常数满足相位匹配条件，根据该相位匹配条件，第一光学模式的光传播常数等于第二光学模式的光传播常数和电调制信号的电传播常数的总和。

Description

电光单边带调制器及其操作方法
技术领域
本发明总体上涉及电光调制器（electro-optical modulator），具体而言，本发明涉及电光单边带调制器（electro-optical single-sideband modulator）（EOSSBM）。
背景技术
众所周知，电光调制器为用于进行信号传输和处理的光数字和模拟链路（link）的重要光元件，这是因为电光调制器能够通过驱动电信号调制光载波的光功率。
EOSSBM尤其用于光纤通信系统中，诸如，由于光功率降低而使得非线性光效应减小，因而用于较高密度波长复用（wavelength multiplexing）和长距离光纤传输。
SSB调制后的光信号的光谱内的单个旁瓣（side lobe）的存在带来一些技术优点，主要的技术优点在于，与标准双边带（DSB）调制相比，占据了一半的光谱，并且当所使用的光纤分散时，在光链路的终点光信号没有衰减。
另一方面，EOSSBM在其内部构造方面、在其操作方面、以及在其操作所需要的外部驱动器方面通常相当复杂。
已知的马赫曾德尔（MZ）型EOSSBM公开在Higuma,K.,Hashimoto,Y.，Nagata,H.,Oikawa,S.,Izutsu,M.,“X-cut LiNbO3optical SSB modulators（X切LiNbO3光学SSB调制器）”，电子快报，37（2001）卷，515-516页中，并且在图1中示意性地示出。
EOSSBM形成在X切Y传LiNbO3（LiNbO3,X-cut,Y propagation）基板内，并且包括由两个光学Ti扩散MZ波导路径构成的主嵌套MZ结构，每个波导路径包括子MZ结构MZA、MZB。提供两个RF调制端口RFA和RFB以及三个DC偏置端口DCA、DCB和DCC。
DC供电从偏置端口DCA供应至子结构MZA，以在子结构MZA内的两个子臂之间产生π相移，DC供电从偏置端口DCB中供应至子结构MZB，以在子结构MZB内的两个子臂之间产生π相移，并且DC供电从偏置端口DCC供应至主结构MZ中，以在子结构MZA和MZB之间产生π/2相移。RF调制信号Φ1(t)=Φ·cosΩt从调制端口RFA供应至子结构MZA，RF调制信号Φ2(t)=Φ·sinΩt从调制端口RFB供应至子结构MZB并且由以Φ1(t)输入的宽带90度移相器生成。
即使其在载波抑制率方面具有不可否认的性能，但是同样不可否认的是，该EOSSBM复杂：实际上，提供了符合该光学图案的两级嵌套MZ调制器，在使用恰当的电子稳定回路进行操作的过程中，需要三个DC偏置信号，并且需要两个不同的π/2偏移的RF驱动信号。
已知的MZ型EOSSBM的更标准构造公开在Smith,G.H.,Novak,D.,Ahmed,Z.,“Technique for optical SSB generation to overcome dispersion penalties infibre-radio systems（用于克服光纤无线系统中的色散代价的光学SSB生成技术）”，电子快报，33（1997）卷，74-75页中，并且在图2中示意性地示出。
即使其特征在于具有一个MZ调制器，但是仍需要进行合适的DC偏置点稳定以及RF调制信号的宽带处理，这包括信号分离和分离后的两个信号中的一个的π/2相移。
US5,022,731公开了（图12）一种移频器，该移频器可用于可操作成通过在两个光信号之间产生外差效果（heterodyne）而发射信号V(t)的EOSSBM装置内。为此，使用激光源，该激光源以某一光频率发射大致为单色的光信号。将该光信号分成两个，以便以同等方式激发两个输入光纤，其中，这两个输入光纤中的第一输入光纤与接收电信号V(t)ej2πft的移频器连接。将光频率移信号传递至输出光纤。将来自激光源并供应至这两个输入光纤中的第二输入光纤的光信号与频移光信号结合。在此之后，所得到的光信号的光谱为SSB调制后的光信号的光谱。然而，对于具有两个嵌套的MZ状结构的光电路而言，这种实施SSB调制的方法显然显得非常复杂，由光纤构成的结构还可能受到大的热机械不稳定性和波动的影响。而且，仍需要进行合适的DC偏置点稳定。
在该结构中，以及在上述其他结构中，在每个重组Y结处，出现局部相消干涉效应，从而导致在辐射模式中损失部分光功率。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种EOSSBM，其在整体光学图案和DC供电以及RF信号预处理方面更简单。
该目的通过本发明实现，这是因为本发明涉及一种电光单边带调制器，该电光单边带调制器包括：
电光基板；
双模光波导结构，该双模光波导结构形成在基板中，以支持具有相关联的光频率和光传播常数的不同光学模式，该双模光波导结构包括用于接收具有光频率的输入光载波信号的光输入以及用于输出相应的SSB调制后的光信号的一对光输出，每个光输出具有带有单个旁瓣的光频谱；以及
电极结构，该电极结构形成在基板上，以接收具有相关联的电频率和电传播常数的输入电调制信号，并且作为响应地对双模光波导结构施加电场；
其中，双模光波导结构和电极结构形成为使得光学模式的光传播常数和电调制信号的电传播常数满足相位匹配条件，根据该相位匹配条件，光学模式中的第一光学模式的光传播常数等于光学模式中的第二光学模式的光传播常数和电调制信号的电传播常数的总和，从而导致第一光学模式的能量至少部分地传递至第二光学模式，并且因此，导致第二光学模式的光频率（ωA）等于第一光学模式的光频率（ωS）上移电调制信号的电频率。
大体上，与在现有技术的EOSSBM内采用的基于MZ的方法（其中，在同时调制同一光载波信号的两个π/2相移的调制信号之间采用合适的相位关系，然后致使所得到的两个DSB调制后的光信号相干涉，以导致消除不需要的旁瓣）不同，本发明并不是基于MZ方法，并且直接导致进入的光谱的简单偏移，少量的功率偏移并且剩下的大部分载波未偏移。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在将参照附图（均未按照比例绘制）描述一个优选的非限制性实施例（其旨在仅仅通过实例的方式并且不应被理解为限制性的），其中：
图1和图2示意性地描绘了已知的MZ型EOSSBM；以及
图3示意性地描绘了根据本发明的EOSSBM。
具体实施方式
提出以下论述，以使本领域的技术人员能够制造和使用本发明。在不背离所要求保护的本发明的范围的情况下，对于本领域的技术人员而言，这些实施例的各种修改将是显而易见的。因此，本发明并非旨在限于所示出的实施例，而是旨在符合与本文中所公开的以及所附权利要求中所限定的原理和特征相一致的最广范围。
根据本发明的EOSSBM在图3中示意性地描绘，并且总体上由参考标号1表示。
EOSSBM1主要包括：
电光基板2，方便地为X切LiNbO3基板（其他合适的电光材料，与LiNbO3不同，但是仍具有电光特性，可为LiTaO3、KTP、GaAs等）；
双模光波导结构3，以普通方式形成在基板2内，例如通过将Ti选择性地扩散到基板2内，用于接收待进行SSB调制的且具有光学频率ωS的输入光载波信号；以及
电极结构4，形成在基板2上，用于接收具有电频率Ω和电传播常数βΩ的输入电RF调制信号，并且作为响应地对光波导结构施加电场。
双模光波导结构3，该双模光波导结构包括：
用于接收输入光载波信号的光输入IN以及用于输出相应的SSB调制后的光信号的一对光输出OUT1和OUT2，每个光输出具有带有单个旁瓣的光频谱；
输入部分5，该输入部分包括：
分束器6，该分束器为Y结的形式，并且该分束器包括：与用于接收输入光载波信号的光输入IN连接的输入波导7；以及从输入波导7分叉的一对发散输出波导8；以及
一对输出波导9，这对输出波导与分束器6的相应输出波导8光学地连接，并且这对输出波导这样相互隔开地布置：使得导致这对输出波导相互光学地耦合；以及
输出部分10，该输出部分包括：
一对发散输入波导11，这对发散输入波导与输入部分5的相应输出波导9连接，并且这对发散输入波导形成为以这样的方式延伸：增大它们的相互距离，直至这种相互分隔导致它们相互光学地非耦合（uncouple）；以及可选地
一对输出波导12，这对输出波导光学地连接在相应的输入波导11和相应的光输出OUT1和OUT2之间，并且因此这样相互隔开地布置：使得它们相互光学地非耦合。
因此，分束器6的输入波导7、输入部分5的输出波导9、以及输出部分10的输出波导12形成为平直地延伸；输入部分5的输出波导9形成为彼此平行地延伸，优选地平行于分束器6的输入波导7以及平行于输出部分10的输出波导12；分束器6的输出波导8和输出部分10的输入波导11形成为弯曲地延伸。
认为有利于使读者注意到旨在用于使用措辞“相互光学地耦合”以及“相互光学地非耦合”来分别限定输入部分5的输出波导9和输出部分10的输出波导12之间的相互光耦合度的客观技术意义。具体而言，措辞“相互光学地非耦合”意在向技能熟练的读者表示在输出部分10的输出波导12之间没有特意地获得光耦合，在这个意义上来说，输出波导12之间的任何存在的光耦合仅为剩余的伪效应，这种伪效应造成EOSSBM1的性能（例如消光比）降低，而措辞“相互光学地耦合”意在向技能熟练的读者表示在输入部分5的输出波导9之间特意地获得适当的光耦合度，以导致获得下述相关联的技术效应（在输入部分5的相互光学地耦合的输出波导9的端部处在每个光信号的光频谱内生成单个旁瓣ωA=ωS+Ω）。
此外，特意地获得的输入部分5的相互光学地耦合的输出波导9的光耦合度κCOUP为通过比例因子e-αS的波导间间距S的函数，其中，α为光耦合因子减小为零距离处的外推值的分数1/e时的距离的倒数。
在双模光波导结构3的输入部分5处，电极结构4形成在基板2上，并且该电极结构包括三个隔开的电极，这些电极形成为方便地沿着其整个长度平行于输入部分5的输出波导9延伸，并且这些电极包括：
内部电极13，该内部电极设置在输入部分5的相互光学地耦合的输出波导9之间；以及
一对外部电极14，这对外部电极在内部电极13的相对侧上布置在输入部分5的相互光学地耦合的输出波导9外部。
方便地，内部电极13和外部电极14形成为平直地且彼此平行地延伸，外部电极14相对于内部电极13等距地隔开，该内部电极形成为沿着与输入部分5的分束器6的输入波导7的延伸方向一致的延伸方向延伸。
外部电极14用于电接地，而内部电极13布置成接收输入电RF调制信号，从而导致在内部电极13和外部电极14之间施加RF调制电压。
在X切LiNbO3基板2内，基板的晶体结构的取向导致通过输入电RF调制信号和输入光载波信号产生的电场和光场主要沿着晶体结构的Z晶轴耦合。实际上，电光效应导致电光基板的折射率在根据对其施加的电场的强度和方向形成光波导的区域内变化。具体而言，沿着指定的空间方向，折射率与电场沿着该方向的幅度成比例地变化。折射率沿着电光基板的三个晶轴X、Y和Z的变化可通过将电场向量以标量方式（scalarly）乘以电光系数的3×3矩阵来计算。对于LiNbO3晶体而言，在电光张量的系数rij中，具有最高值的电光系数为r33（≈30pm/V），其使沿着Z晶轴偏振的电磁波所经历的折射率的变化与电场沿着同一轴的分量相关。因此，与沿着Z晶轴的电光耦合相比，沿着另外两个晶轴的电光耦合可忽略不计。
由于输入部分5的输出波导9之间的相互光耦合，所以输入部分5在操作上被输入光载波信号视为单个光波导结构，该光波导结构支持具有相反奇偶性的两种不同光超模，被称为对称超模和反对称超模。当不存在其他现象时，即，没有内在的不对称和/或电扰动时，如果将具有对称光场空间分布的输入光载波信号供应至输入部分5，那么仅将传播对称超模。因此，仅是具有与输入光载波信号的功率相同的功率、折射率NS、光频率ωS以及光传播常数βS=NS·ωS/c的单个对称超模开始沿着输入部分5传播。
在沿着输入部分5传播的过程中，由于对电光基板内的光波导施加电场，所以对称超模经历上述折射率的变化。
这种经历导致将对称超模（其为基本光超模或零级光超模）的能量至少部分地传递至反对称超模，该反对称超模为激发光超模，并且除对称超模之外，该反对称超模开始传播，其中，由于在对称超模内传播的光载波信号和电RF调制信号之间的非线性相互作用，所以引起的反对称超模具有的频率ωA等于对称超模的频率ωS上移对内部电极施加的电RF调制信号的频率Ω，即，ωA=ωS+Ω。
同时出现这种频率变化和模态变换所需要的条件（被称为相位匹配条件并属于一般动量守恒原则）为：反对称超模的光传播常数βA（其等于NA·ωA/c）等于对称超模的光传播常数βS和对内部电极13施加的电RF调制信号的电传播常数βΩ的总和，即，βA=βS+βΩ，其中，βΩ=NΩ·ωΩ/c，并且NΩ为沿着内部电极13传播的电RF调制信号的折射率。
结果，在输入部分5的相互光学地耦合的输出波导9的端部处，存在剩余的对称超模和反对称超模，这些超模每个具有输入光载波信号的部分光功率，其中，具有在幅度和符号方面相等的两个波瓣的对称超模的频率为ωS，而具有在幅度方面相等但是在符号方面相反的两个波瓣的反对称超模的频率为ωA。
应注意以下事实：从实际角度来看，电RF调制信号没有大到足以通过将输入能量完全传递到偏移的载波内而引起完全“耗尽”输入光载波信号。因此，剩余的未频移的光载波信号保持在输出光信号内，而偏移的波瓣的功率与输入RF调制功率线性地相关（PSHIFTED∝PΩ），这是期望的光学调制器的性能。
还应注意，对称超模的折射率NS比反对称模式的折射率NA高，并且这导致βA<βS。与上述相位匹配条件βA=βS+βΩ相结合，该条件导致βΩ<0，这在技术上表示，为了满足相位匹配条件，将电RF调制信号供应至内部电极13，以在与光载波信号沿着输入部分5的相互光学地耦合的输出波导9的传播方向相反的传播方向上沿着内部电极13传播。
最后，将存在于输入部分5的相互光学地耦合的输出波导9的端部处的两个合成的光信号（即，光频率为ωS的对称模式和光频率为ωA的反对称模式）供应至输出部分10的输入波导11，增大其沿着合成的光信号的传播方向的相互间距导致每个合成的光信号的两个波瓣空间地分离，从而仅将空间上成形为单瓣的模式供应至输出部分10的输出波导12。
当与现有技术中的EOSSBM相比时，可容易地理解根据本发明的EOSSBM的优点：
光学图案简单得多，并且包括更短的光路和更少数量的Y结，因此导致更少的光损耗；
不需要用于将EOSSBM放置到适当的操作点内的外部DC偏置信号，因此导致不需要用于使DC偏置信号稳定在正确的值的外部电子元件（偏置控制回路）；以及
不需要对输入电RF调制信号进行信号预处理（π/2相移），将该信号照原样供应至RF电极结构，从而导致不需要电子信号处理元件。
具体而言，当与US5,022,731中公开的移频器相比时，根据本发明的EOSSBM具有一些优点。具体地说，光学结构简单得多，这是因为其仅包括一个Y结和两个耦合的波导。没有由于光干涉而意味着光损耗和不稳定性的进一步重组。而且，在本实例中，不需要通常需要外部电子设备来对抗电压偏移效应的DC偏置。而且，还应理解，在US5,022,731中公开的移频器中，由于一半功率经历相消干涉光，因此光重组在由V0电压驱动的DC部分的π相移之后使调制的功率效率降低。另一方面，在本发明中，所有功率在装置的端部处传送，一半功率在两个输出中的每个输出处传送，可用于多种用途，例如用于进行通信和监测等等。
而且，根据本发明的EOSSBM输出两个SSB调制后的光信号，这些光信号可用于进行监测、平行信号分布等等。
最后，显然，可对本发明做出修改和变化，所有这些修改和变化落在所附权利要求所限定的本发明的范围内。
具体而言，技能熟练的读者应注意到以下事实：如果光学模式的光传播常数和电调制信号的电传播常数满足上述相位匹配条件，那么当采用与上述这些光学模式不同类型的光学模式（例如在光场空间分布和/或偏振方面）时，也已证明本发明所依据的教导是有效的，根据该相位匹配条件，光学模式中的第一光学模式的光传播常数等于光学模式中的第二光学模式的光传播常数和电调制信号的电传播常数βΩ的总和，从而导致第一光学模式的能量至少部分地传递至第二光学模式，并且因此，导致第二光学模式的光频率等于第一光学模式的光频率上移电调制信号的电频率Ω。

Claims (9)

1.一种电光单边带调制器(1)，所述电光单边带调制器包括：
电光基板(2)；
双模光波导结构(3)，所述双模光波导结构形成在所述基板(2)中，以支持具有相关联的光频率(ωS、ωA)和光传播常数(βS、βA)的不同光学模式，并且所述双模光波导结构包括用于接收具有光频率(ωS)的输入光载波信号的光输入(IN)、以及用于输出相应的SSB调制后的光信号的一对光输出(OUT1、OUT2)，每个光输出具有带有单个旁瓣的光频谱；以及
电极结构(4)，所述电极结构形成在所述基板(2)上，以接收具有相关联的电频率(Ω)和电传播常数(βΩ)的输入电调制信号，并且作为响应地对所述双模光波导结构(3)施加电场；
其中，所述双模光波导结构(3)和所述电极结构(4)形成为使得所述光学模式的所述光传播常数(βS、βA)和所述电调制信号的所述电传播常数(βΩ)满足相位匹配条件，根据所述相位匹配条件，所述光学模式中的第一光学模式的所述光传播常数(βA)等于所述光学模式中的第二光学模式的所述光传播常数(βS)与所述电调制信号的所述电传播常数(βΩ)的总和，从而导致所述第一光学模式的能量至少部分地传递至所述第二光学模式，并且因此，导致所述第二光学模式的所述光频率(ωA)等于所述第一光学模式的所述光频率(ωS)上移所述电调制信号的所述电频率(Ω)。
2.根据权利要求1所述的电光单边带调制器，其中，所述双模光波导结构(3)包括输入部分(5)和输出部分(10)；
其中，所述输入部分(5)包括：
分束器(6)，所述分束器为Y结的形式，并且所述分束器包括连接至用于接收所述输入光载波信号的所述光输入(IN)的输入波导(7)、以及从所述输入波导(7)分叉的一对发散输出波导(8)；以及
一对输出波导(9)，所述一对输出波导光学地连接至所述分束器(6)的相应输出波导(8)，并且所述一对输出波导这样相互隔开地布置：使得导致所述一对输出波导相互光学地耦合；
其中，所述输出部分(10)包括：
一对发散输入波导(11)，所述一对发散输入波导连接在所述输入部分(5)的相应输出波导(9)与相应的光输出(OUT1、OUT2)之间，并且所述一对发散输入波导形成为以这样的方式延伸：增大所述一对发散输入波导的相互距离，直至这种相互分隔导致所述一对发散输入波导相互光学地非耦合；
并且其中，所述电极结构(4)包括三个隔开的电极(13、14)，所述电极形成为平行于所述输入部分(5)的所述输出波导(9)延伸，并且所述电极包括内部电极(13)、以及两个外部电极(14)，所述内部电极布置在所述输入部分(5)的所述输出波导(9)之间，以接收所述输入电调制信号，所述外部电极在所述内部电极(13)的相对侧上布置在所述输入部分(5)的所述输出波导(9)外部，并且所述外部电极用于待以参考电位偏置。
3.根据权利要求2所述的电光单边带调制器，其中，所述输入光载波信号和所述输入电调制信号分别这样供应至所述双模光波导结构(3)以及供应至所述电极结构(4)：使得分别沿着所述双模光波导结构(3)的所述输入部分(5)的所述输出波导(9)以及沿着所述电极结构(4)的所述内部电极(13)在相反传播方向上传播。
4.根据权利要求2所述的电光单边带调制器，其中，所述输入部分(5)的所述输出波导(9)形成为平直地且彼此平行地延伸。
5.根据权利要求4所述的电光单边带调制器，其中，所述分束器(6)的所述输入波导(7)形成为平直地且平行于所述输入部分(5)的所述输出波导(9)延伸。
6.根据权利要求4所述的电光单边带调制器，其中，所述内部电极和所述外部电极(13、14)形成为平直地延伸。
7.根据权利要求2所述的电光单边带调制器，其中，所述双模光波导结构(3)的所述输出部分(10)还包括一对输出波导(12)，所述一对输出波导光学地连接在所述输出部分(10)的相应输入波导(11)与相应光输出(OUT1、OUT2)之间。
8.根据权利要求7所述的电光单边带调制器，其中，所述输出部分(10)的所述输出波导(12)形成为以这样的方式延伸：平直地且彼此平行、平行于所述分束器(6)的所述输入波导(7)、平行于所述输入部分(5)的所述输出波导(9)、以及平行于所述内部电极和所述外部电极(13、14)。
9.一种操作根据权利要求1所述的电光单边带调制器的方法，包括：
将所述输入光载波信号和所述输入电调制信号分别供应至所述双模光波导结构(3)以及供应至所述电极结构(4)，从而分别沿着所述双模光波导结构(3)的输入部分(5)的输出波导(9)以及沿着所述电极结构(4)的内部电极(13)在相反传播方向上传播。
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