CN103210601A

CN103210601A - 光学相位调制电路和光学相位调制方法

Info

Publication number: CN103210601A
Application number: CN2011800540362A
Authority: CN
Inventors: 野口荣实
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2013-07-17
Also published as: EP2639629A4; US20130176609A1; EP2639629A1; WO2012063413A1; JPWO2012063413A1

Abstract

本公开提供了能够在不增加功耗的情况下实现高速操作的光学相位调制电路和光学相位调制方法。根据本发明的光学相位调制电路包括：光学调制单元(50)，包括级联连接的多个分割电极(12至15)，并通过对使用相应分割电极调制的光学信号求和来产生调制信号；驱动电路(8至11)，驱动所述多个分割电极；以及调制定时控制单元(60)，通过控制所述驱动电路(8至11)的操作定时，来控制在所述多个分割电极(12至15)中调制所述光学信号的定时。

Description

光学相位调制电路和光学相位调制方法

技术领域

本发明涉及光学相位调制电路和光学相位调制方法，具体涉及在相干光通信中使用的光学相位调制电路和在该光学相位调制电路中使用的光学相位调制方法。

背景技术

随着宽带多媒体通信(如，互联网和视频图像分发)的要求爆炸性增长，正在干线和城市网中引入针对较长距离具有较大容量和较高可靠性的高密度多波长光纤通信系统。此外，甚至在订户网络中，光纤接入服务也正变得迅速普及。在使用光纤的这样的通信系统中，重要的是：减少安装充当光学传输路径的光纤的费用；以及增加每个光纤的传输频带使用效率。因此，已广泛采用波分复用技术，其中，复用并发送具有不同补偿的信号光。

此外，为了增加每个波长信道的传输容量，已尝试通过提高过去普遍使用的二进制光强度调制方案的发送速度来增加容量。然而，在高速传输(如40Gbps和100Gbps)的情况下，考虑到对光纤的波长色散和/或偏振模式色散的容限，近年来，使用相干光通信技术的相位调制方案正取代普通二进制光强度调制方案变为主流。

该相位调制方案是光学信号的相位根据信号改变的调制方案。例如，作为传输速率等于或大于40Gbps的普通调制器，存在使用由铁电晶体(如LiNbO3)制成的光学波导的相位调制器(下称“LN调制器”)。LN调制器使用在向布置在光学波导上的电极施加电场时发生的初级电光效应引起的折射率改变执行相位调制。

在该过程中限制相位调制器的调制频带的因素的示例包括以下因素。在LN调制器的情况下，折射率相对较小。因此，在LN调制器中，调制器的组件长度被调节为几毫米至几厘米数量级的长度，以获得所需的相位变化量。然而，由于用于驱动调制器的信号(微波)传播通过附接至调制器的组件的电极的速度不同于光学信号传播通过光学波导的速度，驱动信号产生的电场不能有效地作用于光学信号，并且从而限制了调制频带。

因此，调制器具有行波型电极结构，其中，驱动信号的传播方向与光学信号的传播方向相符，从而可以通过使微波和光在组件内的传输速度彼此相等来增加调制频带。图12示出了使用行波型电极的LiNbO3相位调制器的示例。在图12所示的LiNbO3相位调制器中，从CW光学信号源101输出的光学信号输出通过光学波导102。此外，使用驱动电路控制行波电极103，并且从而行波电极103对光学信号进行调制。此外，使用从信号源105输出的电信号控制驱动电路104。

然而，一般地，使用行波型电极的LiNbO3相位调制器要求等于或大于5V的电压作为驱动调制器的驱动电压。因此，使用行波型电极的LiNbO3相位调制器的驱动电路的功耗较大。此外，首先，极难实现能够以5V或更大的较大输出幅度高速操作的宽带驱动电路。注意：可以通过进一步增加调制器的组件长度来避免驱动电压的增加。然而，另一方面，变得极难如上所述地使充当调制器驱动信号的微波的传输速度和光的传输速度彼此相等，并且因此限制了调制频带。此外，驱动信号的信号幅度随着驱动信号传播通过行波电极而衰减。因此，对调制器的组件长度存在限制。

即，在相位调制器的调制频带的增加和驱动电压的减小之间存在折衷关系。如上所述，必须增加光学相位调制器的调制频带以实现高速相位调制。此外，一般地，驱动调制器的电路具有频带随信号输出增加而减小的趋势。因此，在相位调制器中，期望较低的驱动电压和宽带操作。

作为解决与此类似的问题的方法，专利文献1和2公开了光学相位调制电路或光学发送装置，其中：多个光学调制器级联连接；延迟用于驱动相应调制器的电信号的输出定时；并且控制通过对相应调制器中相位改变求和获得的总相位改变。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本未审专利申请公开No.2007-158415

专利文献2：日本未审专利申请公开No.05-257102

发明内容

技术问题

然而，即使当通过级联多个光学调制器扩展调制频带并执行低驱动电压操作时，驱动波形的上升/下降沿在以100Gbps或更高的速度驱动调制器时发生钝化。因此，必须想办法(如减小驱动电路的输出阻抗)来进一步增加速度。作为结果，电能增加。备选地，可以通过利用使用电感器的峰化技术来增加驱动波形的上升/下降速度，所述峰化技术通常用于增加电路中的速度。然而，其需要模拟调节。此外，存在以下问题：一旦被构建至驱动电路中，就不可能在特征因温度、电源等的环境变化而发生改变时应对特征变化。此外，存在由电路使用FIR滤波器的波形峰化技术。虽然可以利用该技术执行高精度控制对抗温度/电源变化，但电路规模变得更大，并且因此导致电能增加。此外，由于电路自身上的负载变大，需要比电路规模增加所需的电能更大的电能，以补偿增加的负载。如上所述，期望使得可以甚至对抗温度/电源变化来控制波形的上升/下降，并且从而实现调制方法，用于在不增加附加电能的情况下实现高速光学调制。

本发明的目的是提供光学相位调制电路和光学相位调制方法，能够在不增加功耗的情况下实现高速操作。

技术方案

根据本发明第一方面的光学相位调制电路包括：光学调制单元，包括级联连接的多个分割电极，并通过对使用相应分割电极调制的光学信号的相位求和来产生调制信号；驱动单元，驱动所述多个分割电极；以及调制定时控制单元，通过控制所述驱动单元的操作定时，来控制在所述多个分割电极中调制所述光学信号的定时。

根据本发明的第二方面的光学相位调制方法包括以下步骤：将从信号源输出的信号分割为多个分支信号；控制所述多个分支信号中至少一个分支信号的输出定时；以及使用包括输出定时被控制的分支信号在内的多个分支信号来驱动级联连接的多个分割电极。

技术效果

根据本发明，可以提供光学相位调制电路和光学相位调制方法，能够在不增加功耗的情况下实现高速操作。

附图说明

图1是根据第一示例实施例的光学相位调制电路的配置图；

图2是根据第一示例实施例的光学相位调制电路的配置图；

图3是根据第一示例实施例的驱动电路的配置图；

图4是根据第一示例实施例的调制光学信号的相位时的定时图；

图5是根据第一示例实施例的调制相位后的光学信号的波形图；

图6是根据第一示例实施例的被赋予模拟峰化特征的光学信号的波形图；

图7是根据第一示例实施例执行模拟峰化特征和延迟控制的光学信号的波形图；

图8是根据第二示例实施例的光学相位调制电路的配置图；

图9是根据第三示例实施例的光学相位调制电路的配置图；

图10是专利文献2中的调制光学信号的相位时的定时图；

图11是专利文献2中的调制相位后的光学信号的波形图；以及

图12是使用普通行波型电极的LiNbO3相位调制器的配置图。

具体实施方式

[第一示例实施例]

以下参照附图说明根据本发明的示例实施例。参照图1说明根据本发明第一示例实施例的光学相位调制电路的配置示例。光学相位调制电路包括：光学信号源1、信号源3、驱动电路8至11、以及调制定时控制单元60。此外，调制单元50包括分割电极12至15以及光学波导2。

调制单元50对从光学信号源1输出至光学波导2的光学信号的相位进行调制。调制单元50输出相位已被调制的光学信号。调制单元50使用分割电极12至15对光学信号的相位进行调制。分割电极12至15布置在光学波导2中。此外，分割电极12至15级联连接。以在向分割电极12至15施加电场时发生的初级电光效应引起的折射率改变来调制通过光学波导2的光学信号的相位。在每个分割电极处调制通过光学波导2的光学信号的相位，并且对相应分割电极调制的光学信号的相位求和。调制单元50输出相位求和的光学信号。

这样，一个调制单元50包括多个分割电极，并通过对在相应分割电极处调制的光学信号的相位求和来获得光学信号。

驱动电路8至11驱动分割电极12至15。驱动电路8至11产生驱动信号，并将产生的驱动信号输出至分割电极12至15。分割电极12至15在接收驱动信号的定时处调制光学信号的相位。在该图中，分割电极12至15与驱动电路8至11一一对应。然而，例如，多个分割电极可由一个驱动电路控制。

调制定时控制单元60通过控制驱动电路8至11的操作定时，来控制在多个分割电极处调制光学信号的定时。

如上所述，在根据图1的光学相位调制电路中，一个调制单元包括级联连接的多个分割电极。因此，可以减小每个分割电极的组件长度，从而以较低的电压驱动每个分割电极。此外，由于一个调制单元包括多个分割电极，可以将调制频带调节至各种值。即，由于调制定时控制单元60控制每个驱动电路的操作定时，可以改变光学信号的相位调制频带。此外，为了获得期望的相位调制频带，不一定必须驱动被分割为N个的所有分割电极。即，可以仅操作根据期望相位调制频带的必要数目的分割电极。因此，与具有一个电极的调制单元相比，可以更低的电压来驱动具有多个分割电极的调制单元。

下面，参照图2说明根据本发明第一示例实施例的光学相位调制电路的详细配置示例。光学相位调制电路包括：光学信号源1、光学波导2、信号源3、可变延迟电路4至7、驱动电路8至11、分割电极12至15、延迟控制电路16、以及分支部分17至19。

光学信号源1产生光学信号，并将产生的光学信号输出至光学波导2。光学波导2由例如铁电晶体(如LiNbO3)制成。此外，在光学波导2中，沿光学信号的行进方向布置分割电极12至15。由N个分割电极构成的分割电极12至15级联连接。在该图中，多个分割电极布置在分割电极14和分割电极15之间。光学波导2使用在向分割电极12至15施加电场时发生的初级电光效应引起的折射率改变来执行相位调制。

信号源3输出基于发送数据产生的电信号。此外，在分支部分17至19处分割从信号源输出的电信号。假设在该图中存在N-1个分支部分，并且因此从信号源3输出的电信号被分割为N个电信号。被分割为N个电信号的电信号输出至相应的可变延迟电路4至7。

可变延迟电路4向接收到的电信号赋予可变延迟量，并向驱动电路8输出电信号。类似地，可变延迟电路5至7向接收到的电信号赋予延迟，并向驱动电路9至11输出电信号。可变延迟电路4至7所赋予的可变延迟量由延迟控制电路16控制。

驱动电路8使用从可变延迟电路4接收的电信号产生驱动信号，并向分割电极12输出产生的信号。类似地，驱动电路9至11使用从可变延迟电路5至7接收的电信号产生驱动信号，并向分割电极13至15输出产生的驱动信号。分割电极12至15由从驱动电路8接收的驱动信号驱动。即，分割电极12至15在接收驱动信号的定时施加电池，并从而调制沿光学波导2传播的光学信号的相位。

此外，驱动电路8向光学信号赋予模拟峰化特征。通过向光学信号赋予模拟峰化特征，可以在不引起任何附加电能增加的情况下使光学信号的上升和下降定时更陡峭。通过使信号的上升和下降定时更陡峭，可以提高操作速度。以下参照图3来说明驱动电路8的具体配置示例。

并联峰化电感器21和22连接至电源电极VDD。此外，并联峰化电感器21、电阻器23和晶体管25串联连接。类似地，并联峰化电感器22、电阻器24和晶体管26串联连接。晶体管25和26连接至可变电容器27，可变电容器27连接至地电极VSS。串联峰化电感器28连接至分割电极12以及寄存器23和晶体管25之间的接触点。

可以利用使用用于安装驱动电路8和分割电极12的接合线等来形成串联峰化电感器28。此外，并联峰化电感器21和22可以被形成为驱动电路8内的螺旋电感器。

再次参照图2，分割电极12至15级联连接，并且在该图中一个调制单元包括N个分割电极。通过如上所述将在一个调制单元内布置的电极分割为N个并使用针对每个分割电极的驱动电路来驱动它们，与驱动一个长电极相比，可以以更低的电压来驱动电极。

下面，说明光学相位调制电路的调制操作。首先，通过N-1个分支部分17至19将充当输入信号的从信号源3输出的电信号分割为N个电信号。分割后的N个电信号分别被N个可变延迟电路4至7延迟，N个可变延迟电路4至7中的每一个能够赋予任意延迟。被赋予延迟的N个电信号分别被输出至N个驱动电路8至11。N个驱动电路8至11向接收到的电信号赋予模拟峰化特征，并向沿光学波导2布置的N个分割电极12至15输出驱动信号。分割电极12至15根据接收驱动信号的定时来操作。

同时，当未被调制的从光学信号源1发出的光学信号通过相应分割电极时，该光学信号被分割电极12至15连续进行相位调制，从而被调节为总相位改变变为期望的相位改变量。

注意：当光通过光学波导时，光学信号中发生传播延迟。因此，为了补偿与此类似的传播延迟，在专利文献2中公开的光学相位调制电路，根据光学信号的传播延迟，向用于驱动分割电极的驱动信号赋予延迟。通过向驱动信号赋予延迟，可以使驱动信号的输出时间符合光学信号的通过时间。这样，通过产生驱动信号的伪行波，来补偿光的传播延迟。图10和11示出了专利文献2中公开的光学相位调制电路的定时图和光学相位调制波形。如图10所示，向信号波形赋予统一的延迟量T以驱动每个分割电极。该延迟量T等于光的传播延迟。这样，如图11所示，最终的光学相位调制波形表现为具有使得所有驱动信号波形无任何定时偏差地净相加的形状。

与此相反，本发明的特征在于：与图10所示的定时图不同，通过相对于光的传播延迟故意主动使用于每个分割电极的驱动信号的定时偏移，来控制光学信号的上升和下降定时。

例如，图4示出了在相对于光的传播延迟T向相应分割电极提供的驱动信号的各个定时额外延迟附加量ΔT的情况下的定时图和光学相位调制波形。延迟控制电路16确定相对于光的传播延迟T额外延迟定时的延迟量，并向可变延迟电路4至7通知所确定的延迟量。

此外，图5示出了在以延迟了量T+ΔT的驱动信号操作每个分割电极的情况下的光学相位调制波形。实线表示通过对在相应分割电极处调制的光学信号求和而获得的光学信号。虚线表示在相应分割电极处调制的光学信号。如该图所示，可以看到：与图11所示的伪电行波与光的传播延迟T完全相符的情况相比，光学信号的上升时段和下降时段更宽。注意：可以通过任意改变量ΔT来控制上升和下降时间以及波形的钝化度。此外，对于量ΔT，可以向全部电极中的每一个赋予相同的延迟量，或者可以向电极赋予互不相同的任意延迟量。对延迟量的组合没有具体限制。

如上所述，通过调节光学调制器的驱动电路的定时，可以实现能够在不增加驱动电路的电能的情况下调节光学信号的上升和下降定时的光学调制器。

此外，可以通过调节光学调制波形的上升和下降定时并且从而使光学调制波形钝化，来获得以下有益效果。图2所示的驱动电路8至11控制分割电极12至15，使得模拟峰化特征被赋予光学信号。在该情况下，光学信号的上升和下降定时变得更加陡峭。然而，由于光学信号的上升和下降定时变得更加陡峭，发生被称为“过冲”和“下冲”的波形扰动。因此，可以通过使用可变延迟电路4至7调节驱动电路8至11的操作定时并从而调节光学调制波形的上升/下降定时来使光学信号钝化，并且从而抑制由“过冲”或“下冲”引起的波形扰动。

参照图6和图7来说明由过冲或下冲引起的波形扰动。实线表示通过对在相应分割电极处调制的光学信号求和获得的光学信号。虚线表示在相应分割电子处调制的光学信号。图6示出了示例，其中，虽然使用驱动电路8至11向光学信号赋予模拟峰化特征，延迟控制电路16执行控制，使得驱动信号的延迟与光学信号的传播延迟T完全相符。在该情况下，如图6所示，由于驱动信号波形无任何偏差地相加，光学信号的上升和下降定时处过冲和下冲的影响变得更大。

与此相反，图7示出了示例，其中，使用驱动电路8至11向光学信号赋予模拟峰化特征，并且延迟控制电路16控制驱动信号的延迟，使得驱动信号相对于光学信号的传播延迟T进一步延迟附加量ΔT。在该情况下，如图7所示，虽然由于驱动信号波形在彼此偏差的情况下相加因而光学信号的上升和下降定时钝化，但降低了上升和下降定时处过冲和下冲的影响。

通过将赋予模拟峰化特征的驱动电路8至11与执行控制使得驱动信号相对于光学信号的传播延迟T进一步延迟附加量ΔT的延迟控制电路16组合，可以使光学信号的上升和下降定时更陡峭并减小过冲和下冲的影响。

此外，在使用电感器赋予模拟峰化特征的电路中，一旦峰化特征被构建至电路中，就不可能在该特征因温度变化、电源电压变化等发生改变时应对特征改变。因此，可以通过使用延迟控制电路16控制延迟量并从而使上升和下降定时钝化来获得无峰化(如，过冲和下冲)的净波形。

[第二示例实施例]

下面，参照图8说明根据本发明第二示例实施例的光学相位调制电路的配置示例。除了图2所示的光学相位调制电路的组件，图8所示的光学相位调制电路还包括时钟信号源31。此外，可变延迟电路4由可变移相器32和D-触发电路36组成。类似地，可变延迟电路5至7由可变移相器33至35和D-触发电路37至39组成。其他配置与图1所示的光学相位调制电路的配置类似，并且因此省略其详细说明。

下面说明可变延迟电路4至7的操作。时钟信号源31向可变移相器32至35输出时钟信号。此外，延迟控制电路16向可变移相器32输出延迟量被调节的控制信号，并且从而改变输出至可变移相器32至35的时钟信号的相位。这样，可变移相器32至35能够使从时钟信号源31输出的时钟信号延迟，并向D-触发电路36至39输出延迟的时钟信号。

此外，信号源3向D-触发电路36至39输出电信号。D-触发电路36至39根据从可变移相器32至35输出的时钟信号的定时，将从信号源3输出的电信号输出至驱动电路8至11。

这样，通过在可变移相器32中延迟输出至D-触发电路36的时钟信号的定时，也延迟了从可变延迟电路4输出至驱动电路8的电信号的定时。即，通过控制可变移相器32中的延迟量，可以控制从驱动电路8输出至分割电极12的驱动信号的定时。可变延迟电路5至7以类似方式操作。

[第三示例实施例]

下面，参照图9说明根据本发明第三示例实施例的光学相位调制电路的配置示例。除了图2所示的光学相位调制电路的组件，图9所示的光学相位调制电路还包括波形监测电路41。注意，波形监测电路41还可以并入图8所示的光学相位调制电路中。其他配置与图2所示的配置类似，并且因此省略其详细说明。

波形监测电路41监测从光学波导2输出的光学信号的波形，并向延迟控制电路16输出监测结果。存在以下可能：从光学波导2输出的光学信号的波形因温度变化、电源变化、由过程变化导致的变化等发生扰动。例如，存在以下情况：由于温度变化等的影响，光学信号的上升或下降定时处过冲或下冲的影响变大。在类似于此的情况下，延迟控制电路16可以通过增加输出至驱动电路8的电信号的延迟量使上升或下降定时钝化，并且从而降低上升或下降定时处过冲或下冲的影响。

此外，当光学信号的上升和下降时间过长并且因而波形钝化时，延迟控制电路16能够通过减少延迟量使光学信号的上升或下降定时更陡峭。

注意，本发明不限于上述示例实施例，并且可以在不背离本发明的范围和精神的前提下根据需要对它们进行修改。

虽然以上参照示例实施例对本发明进行了说明，本发明不限于以上说明。可以在本发明的范围内对本发明的配置和细节做出所属领域技术人员能够理解的各种修改。

本申请基于并要求2010年11月10日递交的日本专利申请No.2010-251488的优先权，其公开以引用方式被全部并入于此。

参考标记列表

1 光学信号源

2 光学波导

3 信号源

4 可变延迟电路

5 可变延迟电路

6 可变延迟电路

7 可变延迟电路

8 驱动电路

9 驱动电路

10 驱动电路

11 驱动电路

12 分割电极

13 分割电极

14 分割电极

15 分割电极

16 延迟控制电路

17 分支部分

18 分支部分

19 分支部分

21 并联峰化电感器

23 电阻器

24 电阻器

25 晶体管

26 晶体管

27 可变电容器

28 串联峰化电感器

31 时钟信号源

32 可变移相器

33 可变移相器

34 可变移相器

35 可变移相器

36 D-触发电路

37 D-触发电路

38 D-触发电路

39 D-触发电路

41 波形监测电路

50 调制单元

60 调制定时控制单元

Claims

1.一种光学相位调制电路，包括：

光学调制单元，所述光学调制单元包括级联连接的多个分割电极，并通过对使用相应分割电极调制的光学信号的相位求和来产生调制信号；

驱动单元，所述驱动单元驱动所述多个分割电极；以及

调制定时控制单元，所述调制定时控制单元通过控制所述驱动单元的操作定时，来控制在所述多个分割电极中调制所述光学信号的定时。

2.根据权利要求1所述的光学相位调制电路，还包括：

信号源；以及

分支部分，所述分支部分将从所述信号源输出的信号分割为多个分支信号，

其中，所述定时控制单元通过控制所述多个分支信号输出至所述多个驱动单元的定时，来控制所述多个驱动单元的操作定时。

3.根据权利要求1或2所述的光学相位调制电路，其中，所述定时控制单元包括：

延迟单元，所述延迟单元向从所述分支部分输出的所述多个分支信号中的至少一个分支信号赋予延迟，并向所述驱动单元输出延迟后的分支信号；以及

延迟控制单元，所述延迟控制单元通过控制向所述多个分支信号赋予的延迟量，来控制驱动所述多个分割电极的定时。

4.根据权利要求3所述的光学相位调制电路，其中，所述延迟控制单元控制所述延迟量，使得向所述多个分支信号中的至少一个分支信号赋予比所述光学信号的传播延迟大的延迟量或比所述光学信号的所述传播延迟小的延迟量。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学相位调制电路，还包括：电感器，所述电感器向从所述驱动单元输出至所述分割电极的驱动信号的驱动波形赋予模拟峰化特征。

6.根据权利要求3或4所述的光学相位调制电路，其中

所述延迟单元包括：

移相器，所述移相器改变接收到的时钟信号的相位；以及

触发电路，所述触发电路根据从所述移相器输出的时钟信号的定时，向所述驱动单元输出所述分支信号，并且

所述延迟控制单元控制所述移相器中所述时钟信号的相位改变量，并且从而控制从所述移相器输出至所述触发电路的时钟信号的输出定时。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的光学相位调制电路，还包括：波形监测电路，所述波形监测电路监测从所述光学调制单元输出的调制信号的波形，

其中，所述定时控制单元控制所述驱动单元的操作定时，使得从所述波形监测电路输出的所述调制信号的上升时间或下降时间变为预定时间。

8.一种光学相位调制方法，包括以下步骤：

将从信号源输出的信号分割为多个分支信号；

控制所述多个分支信号中至少一个分支信号的输出定时；以及

使用包括输出定时被控制的分支信号在内的多个分支信号来驱动级联连接的多个分割电极。