CN104509002B - 用于差分光学信令的系统 - Google Patents

Abstract

根据一个实施例，用于发送差分光信号的系统可包括光调制设备、多纤芯光波导以及平衡光接收机。光调制设备可包括至少一个光输入端口和多个光输出端口。光调制设备可将光输入信号转换成多个互补的调制光信号，这些调制光信号从多个光输出端口被发送。多纤芯光波导可包括被设置在包层材料中的多个纤芯。多个纤芯、包层材料、或前述两者可被配置成减轻多个纤芯之间的光能量的透射。平衡光接收机可包括多个光检测器。平衡光接收机可通信地耦合至多纤芯光波导的多个纤芯。多个光检测器中的每一个可将多个互补的调制光信号中的至少一个转换成电信号。

Description

用于差分光学信令的系统

背景技术

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年5月25日提交的美国临时申请61/651599的优先权，且依赖于其内容并将其内容整体援引包含于此。

技术领域

本说明书总地涉及用于差分光信令的系统，并且更具体地涉及用于多状态(M-ary)调制格式的差分光学信令的系统。

技术背景

短距高速光学互连可被利用在多种高性能计算机和数据中心场合。在诸如用开关(on-off)键控操作的激光/外部调制器链路这样的许多光学互连中，激光器所产生的大约一半的光功率是未曾用到的。具体地说，外部调制器链路在关(off)状态期间一般抑制激光功率。此外，当接收开关键控调制时，最佳判决阈值可能相对于接收的光功率是浮动的，即功率越高，阈值越高。因此，最佳判决阈值顺应光信号功率或处于1和0状态下的噪声变化。

光差分信令一般包括在多个单独的传输信道上发送两个或更多个互补信号。一旦接收到，互补信号可被合并以提取在信号中编码的数据。由于匹配群延迟和再生的成本，光差分信令可能难以实现在光纤传输系统中。当使用两条分立的光纤时，单个光纤中的波分复用可用来克服与匹配光纤延迟关联的困难。然而，可能难以用单个调制器来产生这种调制信号。此外，在波分复用中，链路的色散必须被匹配。

因此，需要替代的系统以实现差分光学信令。

发明内容

根据一个实施例，发送光信号的系统可以包括光调制设备、多纤芯光波导以及平衡光接收机。光调制设备可以包括至少一个光输入端口和多个光输出端口。具有输入功率的光输入信号可在至少一个光输入端口处被接收。光调制设备可将光输入信号转换成多个互补的调制光信号，这些调制光信号从多个光输出端口被发送，其每一个具有输出功率。多个互补调制光信号的输出功率之和可基本等于光输入信号的输入功率，所述光输入信号是通过光调制设备的至少一个光输入端口接收的。多纤芯光波导可光耦合至光调制设备的多个光输出端口。多纤芯光波导可包括被设置在包层材料中的多个纤芯。多个纤芯、包层材料、或前述两者可被配置成减轻多个纤芯之间的光能量的交换。平衡光接收机可包括多个光检测器。平衡光接收机可通信地耦合至多纤芯光波导的多个纤芯。多个光检测器中的每一个可将多个互补的调制光信号中的至少一个转换成电信号。平衡光接收机的多个光检测器的电信号可被合并以形成脉冲振幅调制的信号。

将在以下详细描述中阐述本发明的附加特征和优点，这些特征和优点在某种程度上对于本领域的技术人员来说根据该描述将是显而易见的，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图的本文所述的实施例可认识到。

应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者描述了各实施例，并且它们旨在提供用于理解所要求保护的主题事项的本质和特性的概观或框架。所包括的附图用于提供对各实施例的进一步理解，且被结合到本说明书中并构成其一部分。附图示出本文所述的各个实施例，并与说明书一起用于说明所要求保护的主题事项的原理和操作。

附图说明

图1示意地示出根据本文所示和描述的一个或多个实施例的用于差分光信令的系统；

图2示意地示出根据本文所示和描述的一个或多个实施例的用于差分光信令的系统；

图3示意地示出根据本文所示和描述的一个或多个实施例的多纤芯光波导；

图4示意地示出根据本文所示和描述的一个或多个实施例的多纤芯光波导；

图5示意地示出根据本文所示和描述的折射率对比相对于纤芯直径；

图6A-6C示意地示出根据本文所示和描述的一个或多个实施例的多纤芯光波导；

图7示意地示出根据本文所示和描述的一个或多个实施例的多纤芯光波导；

图8用图形示出根据本文所示和描述的一个或多个实施例的在零状态周围对称地调制的QPAM信号；

图9示意地示出根据本文所示和描述的一个或多个实施例的用于差分光信令的系统；

图10示意地示出根据本文所示和描述的一个或多个实施例的用于差分光信令的系统；

图11示意地示出根据本文所示和描述的一个或多个实施例的用于差分光信令的系统；以及

图12示意地示出根据本文所示和描述的一个或多个实施例的光能量/b损失相对于振幅电平。

具体实施方式

现在详细参照本公开的实施例，在附图中示意地示出了这些实施例的示例。在可能时，将在所有附图中使用相同的附图标号来指示相同或类似的部件。差分光信令的系统的一个实施例示出于图1中，并贯穿全文总地通过附图标记10表示。

贯穿本说明书，对术语“光”或“光学”作出引用。本文中使用的术语“光”和“光学”指具有与电磁谱关联的多个波长的辐射，包括但不限于紫外(UV)、红外(IR)波长和电磁谱的可见部分。

现在参见图1，差分光信令的系统10可包括光调制设备20，用于将光输入信号100转换成多个互补的调制光信号102。光调制设备可被配置以使光调制设备的一个或多个输出信号能同时具有一个或多个互补的输出信号。在一些实施例中，光调制设备可调制光输入信号100的振幅以使互补调制光信号102的功率之和基本等于(忽视输入/输出耦合损失、传播损失等)由光调制设备20接收的光输入信号100的功率。具体地说，在一周期时间上由光调制设备20接收的基本全部入射光信号随后被转换成一个或多个输出光信号，所述输出光信号通过光调制设备20发送。每个时间周期可以是来自与多个输入或输出信号周期基本同时的任何时间周期。注意，术语“信号”表示任意波形，例如能够行进通过介质的DC、AC、正弦波、三角波、方波、振动等等。

在一些实施例中，光调制设备20可被配置成接收调制信号104，该调制信号104可被用来控制光输入信号100至多个互补调制光信号102的转换。例如，当光调制设备20是电光调制器时，调制信号可以是电数据信号而光输入信号可根据电数据信号被调制。

现在参见图2，在一个实施例中，用于差分光信令的系统110可包括由Mach-Zehnder调制器(MZM)形成的光调制设备120。光调制设备120可包括用于接收光信号的光输入端口122。光输入端口122可被分割成将光输入端口122耦合至第一光输出端口128的第一光路124以及将光输入端口122光耦合至第二光输出端口130的第二光路126。光调制设备120可进一步包括第一电极132、第二电极134和第三电极136，这些电极可用来控制越过第一光路124和第二光路126的光信号之间的相位差。

作为附加或替代，本文描述的光调制设备可包括下列任一光调制器，其输出具有一功率的光信号以使基本所有入射到调制器上的光功率被发送，其例如铌酸锂电-光或无硅载体微环谐振器(MRR)或Mach-Zehnder干涉仪或任何其它电-光振幅调制器。具体例子包括传统光调制器，其具有双输出端口以使光信号(如果在一个端口上不存在)则自动地出现在另一个端口。一些实施例可利用具有两个输出端口的MZI或MRR调制器，以使专用于使调制器局部偏置的第二端口反而被用作光输出。注意，尽管前面描述的实施例包括电-光振幅调制器，然而本文描述的实施例可利用调制光信号参数以输出互补光信号的任何类型设备，例如振幅调制器、相位调制器、偏振调制器、频率调制器等等。此外，合适的光调制器包括但不限于，电-光调制器、声-光调制器、磁-光调制器、机械-光调制器、热-光调制器或它们的组合。

再次参见图1，用于差分光信令的系统10可包括多纤芯光波导40，其光耦合至光调制设备20以发送多个互补的调制光信号102。多纤芯光波导40的每个纤芯可被配置成以与单模光波导、少模光波导或多模光波导相同的方式起作用。要注意，本文中使用的术语“光耦合的”表示器件能够经由一个或多个居间介质彼此交换光，例如电磁信号经由空气、光信号经由光波导、光信号经由光耦合器等等。此外注意，本文描述的实施例不一定限于光波导。具体地说，光调制设备20可经由一个或多个自由空间链路被耦合至平衡光接收机。

多纤芯光波导40可包括对光透射的任何材料，例如硅纤维。多纤芯光波导40可被配置以使每个纤芯具有相同的群时延。具体得说，多纤芯光波导40光耦合至光调制设备20的每个纤芯能将多个互补调制光信号102发送至一目标以使多个互补调制光信号102中的每一个基本同时得到达该目标(例如以远小于1比特或码元周期的相对延时)。在一些实施例中，多纤芯光波导40的每一个纤芯可在同一包层中同时被制造以减少相对延时。

现在参见图3，在一个实施例中，多纤芯光波导140可包括第一纤芯142、第二纤芯144、第三纤芯146、第四纤芯148和第五纤芯150，这些纤芯形成自基于二氧化硅的玻璃并由同样形成自基于二氧化硅的玻璃的包层材料152围绕。第一纤芯142、第二纤芯144、第三纤芯146、第四纤芯148和第五纤芯150可彼此平行地取向在单个平面内并间隔以使相邻纤芯之间的串扰相对低。包层材料152可以是基本矩形横截面。同样基本矩形横截面的光纤带可从多纤芯光波导140形成。

多个纤芯142、144、146、148、150、包层材料152或其两者可被配置成减轻多个纤芯142、144、146、148、150之间的光能量交换。例如，在一个实施例中，多个纤芯142、144、146、148、150和包层材料152中的每一个的有效折射率可被调制以匹配群时延，同时减少串扰。例如，多个纤芯142、144、146、148、150和包层材料152能各自包括基于二氧化硅玻璃的掺杂剂，包括但不限于B、F、GeO₂、SiO₂、TiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅和/或Ta₂O₅。这类掺杂剂可或者单独地或者组合地纳入到多个纤芯142、144、146、148、150中以获得要求的折射率。

多个纤芯142、144、146、148、150中的每一个可包括由外纤芯部分156围绕的中央纤芯部分154。在一个实施例中，中央纤芯部分154可具有折射率n_central而外纤芯部分156可具有折射率n_outer。外纤芯部分156的折射率n_outer可小于或等于中央纤芯部分154的折射率n_central，即多个纤芯142、144、146、148、150中的每一个可以是阶跃式折射率纤芯。多个纤芯142、144、146、148、150中的每一个的折射率对比可通过下式确定：

n_contrast＝n_central/n_outer (1)

为了减少串扰，可将折射率对比设定至大于约100％的值，例如，在一个实施例中高达大约150％，在另一实施例中高达大约200％，在又一实施例中高达大约260％。

现在参见图4，多纤芯光波导240可包括第一纤芯242、第二纤芯244、第三纤芯246、第四纤芯248和第五纤芯250，它们具有变化的纤芯直径。例如，纤芯直径可在相邻纤芯之间变化。在一些实施例中，第一纤芯242、第三纤芯246和第五纤芯250可各自具有第一纤芯直径D1，而第二纤芯244和第四纤芯248可各自具有第二纤芯直径D2。当第一纤芯直径D1小于第二纤芯直径D2时，串扰能得以减轻。沿具有相对大直径的纤芯传播的光信号相比沿具有相对小直径的纤芯传播的光信号能具有增大的相对延时。为了补偿和减小延时中的不匹配，对于图4所示的实施例，第二纤芯244和第四纤芯248的相对折射率对比能相对于第一纤芯242、第三纤芯246和第五纤芯250的相对折射率对比而减小。例如，对于多个纤芯142、144、146、148、150中的任何一个，能够调节中央纤芯部分154和/或外纤芯部分156中的折射率增加掺杂程度和折射率减小掺杂程度。

要注意，尽管图4中描述的实施例包括第一纤芯242、第二纤芯244、第三纤芯246、第四纤芯248和第五纤芯250，然而本文描述的多纤芯光波导可包括任何数量的纤芯。因此，本文描述的实施例可包括任何数量的各种直径的阶跃式折射率纤芯，它们被配置成取得基本相等的延时。具体地说，每个纤芯可被配置成具有匹配的有效折射率。有效折射率可使用纤芯内的基模(LP₀₁)的归一化传播常数的弱引导模逼近来确定，由下式给出：

$n_{index}=1-\frac{5.825}{{(1+{\left(4+V^4\right)}^{1/4})}^2}---\left(2\right)$

其中V是归一化频率，通过下式给出：

$V={(n_{central}^2-n_{outer}^2)}^{1/2}ka---\left(3\right)$

其中n_central和n_outer是纤芯内部的折射率和纤芯外部的折射率，k是真空下测得的波数而a是纤芯半径。

现在参见图5，多组单模光纤分布设计的特征在于在弱引导逼近中的折射率对比(由中央纤芯部分和外纤芯部分之间的折射率差的均方根表示)和纤芯直径。曲线62代表具有大约2.35的归一化频率V和大约1.44的折射率n_outer的匹配的延时的解集。曲线64代表具有大约2.30的归一化频率V和大约1.46的折射率n_outer的匹配的延时的解集。曲线66代表具有大约2.25的归一化频率V和大约1.45的折射率n_outer的匹配的延时的解集。由于曲线62、曲线64和曲线66中的每一个代表具有固定V数的解集，曲线62、曲线64和曲线66中的每一个代表这样一些解，这些解将表现出基本相同的传播常数、用于该模式的基本相同的有效折射率并因此将表现出基本匹配的飞行时间延时，这能最小化相对延时。注意，尽管低于2.405的V数一般对应于单模操作，然而本文描述的实施例可以利用工作在较高阶模式中的纤芯。此外，可以有若干模式耦合的族，其中较高阶模式的传播延时与上文描述的基模匹配。

一同参见图6A-6C，本文描述的实施例可包括基本各向同性的纤芯342，例如，相比阶跃式折射率纤芯(例如多个纤芯142、144、146、148、150(图3))具有基本恒定的折射率或具有相对渐变的折射率的纤芯。例如，可将串扰阻挡物设置在基本各向同性纤芯342的两个或更多个紧密间隔的纤芯之间，以吸收、散射或隔离从每个基本各向同性纤芯342发出的光。

参见图6A，在一个实施例中，多纤芯光波导340中的每个基本各向同性纤芯342可至少部分地由串扰阻挡环158围绕。具体地说，串扰阻挡环158可具有基本圆形的横截面。在又一些实施例中，串扰阻挡环158可具有适于减轻相邻纤芯之间的光能交换的任何横截面，例如基本多边形的或环绕的不规则形状边界。串扰阻挡环158可以是使包层材料152的折射率不连续的任何材料。造成这种不连续的合适材料包括散射器(例如空气孔、气孔、纳米气泡、微气泡等)、吸光材料(例如掺杂物、染料、颜色中心、半导体微晶体、半导体纳米晶体、乙炔气、铒离子等)、光折射界面(例如防谐振光波导(ARROW)、波导、用于折射率沟的改变的掺杂区、氟掺杂区、基本全内反射的气囊或者用于全内反射的空气通道)、光带隙及其组合。在图6B所示的一替代实施例中，多纤芯光波导440可包括串扰阻挡环258，其被配置成围绕多个基本各向同性纤芯。注意，尽管串扰阻挡环158和串扰阻挡环258作为虚线被示意地示出在图6A、图6B和图7中，然而串扰阻挡环158和串扰阻挡环258一般被形成为具有有限的厚度。不囿于理论，相信，随着串扰阻挡环158或串扰阻挡环258的厚度增加，串扰的减轻的有效性提高了，但波导密度可能受损。因此，合适的厚度可优选地从大约1nm至大约2微米。此外，注意图6A中绘出的串扰阻挡环158的结构可能对于串扰减轻是优选的，因为它由于对称性而提供了额外的优点。

再次参见图6C，多纤芯光波导540可包括一个或多个光隔离区358。光隔离区358可以是包层材料152内的任何分立的区域，它造成包层材料152的折射率不连续。在一个实施例中，光隔离区358可以是基本矩形形状并具有大于或等于相邻纤芯直径的长度D3。相信使长度D3基本等于相邻纤芯的直径相比长度D3明显大于或明显小于相邻纤芯的直径的实施例能改善制造。在纤芯被设计成具有较高折射率对比的实施例中，长度D3可小于相邻纤芯的直径，这只对串扰减轻有很小的有害影响。光隔离区358可由前述的吸光材料或光反射界面中的任意一种形成。例如，在图6C所示的实施例中，它可从光反射界面形成，例如折射率沟、空气隙、或气隙。

现在参见图7，注意，经由包层材料152的折射率的不连续而形成的任何串扰阻挡件都可与任何类型的纤芯材料一起使用。在一个实施例中，多纤芯光波导640可包括第一纤芯242、第二纤芯244、第三纤芯246、第四纤芯248和第五纤芯250，如前面参照图4描述的那样。第一纤芯242、第二纤芯244、第三纤芯246、第四纤芯248和第五纤芯250中的每一个可基本由串扰阻挡环158环绕。多纤芯光波导640可进一步包括光隔离区358，所述光隔离区358被设置在第一纤芯242和第二纤芯244、第二纤芯244和第三纤芯246、第三纤芯246和第四纤芯248以及第四纤芯248和第五纤芯250中的每一对之间。

再次参见图1，用于光差分信令的系统10可包括平衡光接收机60，其光耦合至多纤芯光波导40。平衡光接收机60被配置成用两个或更多个名义上完全一样的光检测器接收具有差分振幅调制的两个或更多个光信号。匹配的光检测器一般具有对于基本是类似的检测参数的设计，例如，耦合损失、复数阻抗(即电容和电感)、信号增益、RF振幅、相位频率响应、响应速度、敏感性、响应性、暗电流或它们的组合。不囿于任何具体理论，相信匹配的光检测器可提供提高的感测敏感性。匹配的光检测器中的每一个可包括被配置成检测光并将检测到的光转换成指示检测到的光的特征(例如光功率)的信号的任何设备。

因此，平衡的光接收机60可包括一个或多个光检测器，例如光电二极管、光敏电阻、光电晶体管等等。注意，尽管平衡光接收机60在本文中描述为与振幅调制信号一起使用，然而平衡光接收机60可被配置成检测相位调制的互补信号、频率或波长调制的互补信号或差分空间模式中的检测。例如，平衡光接收机60可包括多个相位敏感鉴相器(例如MZI)，其位于光检测器和多纤芯光波导40之间以检测相位调制的互补信号。另外，平衡光接收机60可包括多端口边带滤波器，用于检测频率或波长调制的互补信号。此外，空间调制平衡光接收机60可包括光检测器，其被配置在诸如同心环形区或其它空间分布的光检测区内，这取决于光纤波导是否具有圆形对称和源的模态性质。

再次参见图2，其示意地绘出了用于差分信令的系统110的一个实施例。系统110可选择地包括连续波光源112(例如连续波半导体激光器等)，其光耦合至光调制设备120的光输入端口122。系统110可进一步包括电信号发生器114，其可通信地耦合至光调制设备120的第一电极132，同时光调制设备的第二电极134和第三电极136可通信地耦合至电接地点。第一光输出端口128、第二光输出端口130或这两者可根据由电信号发生器114发送的电信号被激活。第一光输出端口128和第二光输出端口130可经由多纤芯光波导40光耦合至平衡光接收机160。替代地，第一光输出端口128和第二光输出端口130可经由两个单独光纤(例如单模光纤、多模光纤或少模光纤)光耦合至平衡光接收机160，所述两个单独光纤具有基本相等的长度以使两个光纤之间的差分群延时小于光信号的大约一个周期。

在图2描绘的实施例中，平衡光接收机160可包括两个匹配的光检测器162。匹配的光检测器162的电输出可通信地耦合至电信号组合器164，例如差分放大器。电信号组合器164可通信地耦合至诸如低通滤波器等的滤波设备166。滤波设备166可通信地耦合至削波电路168或比较器电路，该比较器电路被配置成将接收的信号与零电流阈值进行比较以作出关于所接收的码元的判决。削波电路或比较器电路可以是被配置成从所接收的信号去除一期望的部分中的某些部分的任何电气设备，例如限幅器、振幅选择器或限制器。当进入的差分信号的振幅、相位和噪声特征基本匹配时，接收机判决的表现可被最大化。如果进入的差分信号的振幅、相位和噪声特征不匹配，则最佳振幅判决阈值和判决相位点可从零电流状态移开并也可在时间上略微移动。因此，注意对阈值(或者对振幅或者对相位)的调整可被实现以考虑了物理硬件实现中的不完美性。

系统110可被配置成多状态(即二进制、四进制和任何其它的2^k电平信号)差分光信令。在一个实施例中，系统110可被配置用于脉冲振幅调制(PAM)。PAM是一种线性调制方案，信息可由此被编码成载波信号的振幅的离散变化。多状态PAM信号波形的时域表征可通过下式给出：

其中R{}表示实部、ω_s是载波角频率，T是码元周期，g(t)是码元脉冲形状，而Am是从下面的集中取出的离散值的信号振幅：

其中2d是相邻信号振幅之间的差。

现在参见图8，其用图形绘出用于矩形不归零脉冲的基带(ω_s＝0)四进制PAM(QPAM)信号。QPAM信号68具有在连续码元周期内取值{-3,-3,1,-3,-1,1,-1,-1,3,1,1,3,3,-1,-3,3}的振幅。

在一些实施例中，基带QPAM信号可通过两个同步二进制波形v₁(t)、v₂(t)的线性叠加来产生，其具有比特周期T和系数比2:1，通过下式给出：

$V\left(t\right)=2v_1\left(t\right)+v_2\left(t\right)=2\underset{k}{\Σ}{\mathrm{\α}}_{k}g(t-kT)+\underset{k}{\Σ}{\mathrm{\β}}_{k}g(t-kT)---\left(6\right)$

其中，二进制波形振幅α_k、β_k是通过取来自上述集{±1}中的离散值而被定义的。注意，尽管前面的例子为了清楚描述了特定系数比，然而本文描述的实施例不限于任何特定的系数比。

回来参见图2，如之前提到的，光调制设备120可以是形成在电光材料中的MZM。在典型的MZM中，输入端口可光耦合至不同的有效长度的光路。输入信号可被分割并沿每个光路向下传输。分割的信号可在输出处被重组。光信号的两个相移的版本的重叠在每个设备输出端口处形成干涉。如果两个相邻的比特彼此相长相干，则干涉可能导致在输出端口处出现功率。相反，如果两个相邻的比特彼此相消相干，则干扰可能导致在输出端口处出现功率。MZM可具有两个输出端口以发送互补的输出信号，即，当在一个输出端口中存在相消相干时，由于能量守恒而在另一输出端口中存在相长相干。

为了清楚并且不将本文描述的实施例限制至任何数学理论，下面给出LiNbO₃中形成的电光MZM的数学模型。连续波光源112可将光信号发送至光调制设备的光输入端口122。在光输入端口122处的光信号的电场可通过下式给出：

$E_{in}\left(t\right)=E_0{e}^{{\mathrm{j\ω}}_{s}t}---\left(7\right)$

其中是E₀是电场振幅，而ω_s是载波角频率。

光信号可被分割成横贯第一光路124和第二光路126的两个相等部分。这两个信号部分可经历差分相位延时Φ(t)。差分相位延时可被表达为因传播而导致的相移与因电压依赖型折射率(普克尔斯效应)而导致的相移之和(这是由于施加偏置电压V(t)(如被施加至第一电极132)而导致的)，它可通过下式给出：

其中因传播而导致的相移是通过下式给出：

因电压依赖型折射率而导致的相移是用电压比表征的，其中V_π由下式给出：

$V_{\mathrm{\π}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{0}d}{{\mathrm{rn}}^{3}L}---\left(10\right)$

其中λ₀是输入光束的自由空间波长，L是设备的长度，d是电极之间的距离，n是没有电压时的有效折射率，而r是普克尔斯电光系数。常数V_π一般被称为半波电压。

忽视MZM中的传播损失，第一光输出端口128和第二光输出端口130处的电场可通过下式给出：

$\left(\begin{array}{c}{E}_{o,1}\left(t\right)\\ E_{o,2}\left(t\right)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\sin \frac{\mathrm{\φ}\left(t\right)}{2}\\ \cos \frac{\mathrm{\φ}\left(t\right)}{2}\end{array}\right)E_{in}\left(t\right)---\left(11\right)$

假设平衡光接收机160的匹配光检测器162是理想的二次检测器。由平衡光接收机160检测到的瞬时光功率可通过下式给出：

$\left(\begin{array}{c}{P}_1\left(t\right)\\ P_2\left(t\right)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{\sin }^2\frac{\mathrm{\φ}\left(t\right)}{2}\\ {\cos }^2\frac{\mathrm{\φ}\left(t\right)}{2}\end{array}\right)P_{in}---\left(12\right)$

其中P_in是在光调制设备的光输入端口122处的光信号的平均功率。

匹配的光检测器162可被假设为具有完全一样的响应性R。由于光电二极管是背对背连接的，因此在平衡光接收机160的输出处的总光电流可通过下式来表示：

$i_{tot}\left(t\right)=R\[P_1\left(t\right)-P_2\left(t\right)\]=R\[{\sin }^2\frac{\mathrm{\φ}\left(t\right)}{2}-{\cos }^2\frac{\mathrm{\φ}\left(t\right)}{2}\]P_{in}=-{\mathrm{RP}}_{in}cos\mathrm{\φ}\left(t\right)---\left(13\right)$

用于差分光信令的系统110可被利用以产生二进制PAM(BPAM)光信号。可以假设由传播造成的相移为：

控制光调制设备120的偏置电压V(t)可以是通过下式表示的二进制波形：

$V\left(t\right)=\frac{V_{\mathrm{\π}}}{2}+\frac{V_{\mathrm{\π}}}{2}\underset{k}{\Σ}{\mathrm{\α}}_{k}g(t-kT)---\left(15\right)$

其中二进制波形振幅a_k从上述集{±1}中取离散值。公式(15)右手侧中的常数项可被称为DC偏置，而公式(15)右手侧中的时变项可被称为RF偏置。

用于差分光信令的系统110可被利用以产生QPAM光信号。关于因传播而导致的相移，可以作出与前面公式(14)中表达的相同假设。对于QPAM，偏置电压V(t)可以是被表示为两个同步二进制波形的线性叠加的四进制波形，其具有比特周期T和系数比A:B，它可用下式表示：

$V\left(t\right)=\frac{V_{\mathrm{\π}}}{2}+\frac{V_{\mathrm{\π}}}{2}\[A\underset{k}{\Σ}{\mathrm{\α}}_{k}g(t-kT)+B\underset{k}{\Σ}{\mathrm{\β}}_{k}g(t-kT)\]---\left(16\right)$

在一些实施例中，考虑到MZM传递函数的非线性，用于二进制波形的叠加的系数比A:B不应当是2:1，如果需要在平衡光接收机160的输出处产生四个等距电流电平的话。因此，可采用由电信号发生器114输出的电信号中的预加重以产生具有四个非等距电压电平的电驱动基带QPAM信号。当光调制设备从MZM中形成时，四进制波形的最大峰-峰电压振幅应当为MZM的半波电压的大约两倍。

为了计算电压波形的重叠的系数比A:B，可以假设在平衡光接收机160的输出处的总光电流从下面的集合中取离散值：

RP_in∈{-1，-1/3，1/3，1} (17)

因此，从等式(13)：

cosφ(t)∈{-1，-1/3，1/3，1} (18)

将该三角方程倒置就产生了:

φ(t)∈{0，1.23，1.91，π}rad (19)

通过代换，系数A、B必须满足下列等式：

$\frac{\mathrm{\π}}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{2}\[A+B\]=\mathrm{\π}rad---\left(20\right)$

$\frac{\mathrm{\π}}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{2}\[A-B\]=1.91rad$

$\frac{\mathrm{\π}}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{2}\[-A+B\]=1.23rad$

$\frac{\mathrm{\π}}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{2}\[-A-B\]=0rad$

等式组(20)中的前两个等式或后两个等式的方程组的解产生了A＝0.608173、B＝0.391827。因此，系数A、B可被设定为大约等于QPAM信令的派生值。

现在参见图9，用于差分信令的系统210的一个实施例可被利用以产生M-PAM光信号，即具有2^m个电平的信号。系统210可包括m个光调制设备120和m个平衡光接收机160的阵列以避免在发射机处产生多电平电子波形。注意，尽管光调制设备120和平衡光接收机160中的每一个在图9中被表示为通过m个不同的多纤芯光波导40而光耦合，但是光调制设备120和平衡光接收机160可经由一个或多个多纤芯光波导40而耦合。

在一个实施例中，系统210可包括并联的m个完全一样的分支。每个分支可被配置成产生独立的BPAM光信号，如前面参照图2描述的那样。具体地说，在每个分支212中，连续波光源112可光耦合至光调制设备120。在一个时间间隔处，对应于下列比特的m个独立的位序列：

b₁，...，b_m∈{0，1} (21)

可在每个分支212的平衡光接收机160处被检测。这些比特能被视为是多状态码元的以2为底的表征。驱动Mach-Zehnder调制器的对应偏置电压具有与等式(15)相同的形式。

现在参见图10，用于差分信令的系统310的另一实施例可利用在LiNbO₃中形成的1×m超快速开关构造作为光调制设备，用于产生具有2^m个电平的M-PAM光信号。例如，在图10中描述的实施例中，光调制设备320可以是用于产生QPAM信号的1×4超快速开关构造。光调制设备320可包括在级联配置中的1x2个Y分支开关的第一级322和第二级324，即，开关的每个臂可以是下一级的输入。

第一级322可包括光耦合至连续波光源112的第一Y分支开关312。第一Y分支开关312可通信地耦合至控制第一Y分支开关312的电信号发生器114。第一Y分支开关312能根据电信号发生器114的输出唤起光信号作为其上臂或下臂中的比特。例如，如果输出是电二进制信号，则1可对应于Y分支开关312的上臂b₁而0可对应于Y分支开关312的下臂

第二级324可包括：第二Y分支开关314，其光耦合至第一Y分支开关312的上臂b₁；以及第三Y分支开关316，其光耦合至第一Y分支开关312的下臂第二Y分支开关314和第三Y分支开关316可通信地耦合至电信号发生器214以进行控制。第二Y分支开关314和第三Y分支开关316能在其上臂b₂或下臂中唤起来自第一Y分支开关312的输入，这依赖于电信号发生器214的输出。例如，如果输出是电二进制信号，则在第二Y分支开关314和第三Y分支开关316中的每一个中1可对应于上臂b₂而0可对应于下臂

因此，第一级322的第一分支开关312可受第一二进制序列控制，而第二级324的第二Y分支开关314和第三Y分支开关316可并行地受第二二进制序列控制。在每个比特周期T，所有三个Y分支开关312、314、316的状态可被重置一次。假设在特定时间间隔处这两个二进制序列由比特b₁，b₂∈{0，1}构成。互补比特可由表示。由匹配的光检测器162检测到的瞬时光功率可通过下面一组方程给出：

$P_1\left(t\right)=b_1^2{b}_2^2{P}_{in}---\left(22\right)$

$P_2\left(t\right)=b_1^2{\stackrel{\‾}{b}}_2^2{P}_{in}$

$P_3\left(t\right)={\stackrel{\‾}{b}}_1^2{b}_2^2{P}_{in}$

$P_4\left(t\right)={\stackrel{\‾}{b}}_1^2{\stackrel{\‾}{b}}_2^2{P}_{in}$

其中P_in是通过光调制设备320的第一级322的第一Y分支开关312接收的光信号的平均功率。

匹配的光检测器162中的每一个可通信地耦合至增益设备326的阵列，每个增益设备326具有可配置的增益G₁、G₂、G₃、G₄。平衡的接收器360的输出处的总的光电流可以由下式给出:

i_tot(t)＝R[G₁P₁(t)+G₂P₂(t)-G₃P₃(t)-G₄P₄(t)] (23)

通过为每个增益设备326选择适当的增益G₁、G₂、G₃、G₄，平衡接收机360的输出可产生多状态信号。具体地说，通过设定G₁＝G₄＝1、G₂＝G₃＝1/3，来自平衡接收机360的最终的光电流输出可以是QPAM信号。注意，尽管图10中绘出的系统310的实施例包括针对QPAM信号而配置的1x4开关构造，然而本文描述的实施例可通过包括用于较高阶M-PAM信号的额外的级而普适到1xm开关构造中。

现在参见图11，其示意地绘出了用于差分信令的系统410的又一实施例。光调制设备420可形成自具有嵌入的光调制设备120的MZI。在一些实施例中，如之前提到的，光调制设备120中的每一个可形成自MZM。因此，光调制设备可形成自两个双输出MZM，所述MZM布置在MZI中并具有不对称的输出耦合器。

在一个实施例中，连续波光源112可光耦合至光调制设备420的光输入端口422。光输入端口422可被分割成第一光路424和第二光路426。第一光路424和第二光路426中的每一个可光耦合至光调制设备120。如前面描述的，每个光调制设备120可具有第一光输出端口128和第二光输出端口130。光调制设备120的第一光输出端口128中的每一个可被组合并光耦合至光调制设备420的第一光输出端口428。类似地，光调制设备120的第二光输出端口130中的每一个可被组合并光耦合至光调制设备420的第二光输出端口430。

第一电信号发生器114可通信地耦合至光调制设备120中的一个，而第二电信号发生器214可通信地耦合至另一光调制设备120。电信号发生器114、214可被配置成产生二进制波形以独立地控制光调制设备120。二进制波形可被表达为：

$v_1\left(t\right)=V_{\mathrm{\π}}\underset{k}{\Σ}{\mathrm{\α}}_{k}g(t-kT)---\left(24\right)$

$v_2\left(t\right)=V_{\mathrm{\π}}\underset{k}{\Σ}{\mathrm{\β}}_{k}g(t-kT)$

其中二进制波形振幅α_k、β_k从上述集{0,1}中取离散值。

忽视光调制设备420中的传播损失并假设输出耦合器的振幅耦合比等于A:B，则在第k个时间间隔的互补调制光信号的电场可通过下式给出：

$\left(\begin{array}{c}{E}_{o,1}\left(t\right)\\ E_{o,2}\left(t\right)\end{array}\right)=\frac{j}{2}\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_{k}A+j{\mathrm{\β}}_{k}B\\ j{\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}}_{k}A+{\stackrel{\‾}{\mathrm{\β}}}_{k}B\end{array}\right)E_{in}\left(t\right)---\left(25\right)$

互补调制光信号102可被发送至平衡光接收机160并由其接收。可以假设平衡光接收机160包括作为理想二次检测器的光电二极管。因此，由平衡光接收机160检测到的瞬时光功率可通过下式给出：

$\left(\begin{array}{c}{P}_1\left(t\right)\\ P_2\left(t\right)\end{array}\right)=\frac{1}{4}\left(\begin{array}{c}{{\mathrm{\α}}_k}^2{A}^2+{{\mathrm{\β}}_k}^2{B}^2\\ {{\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}}_k}^2{A}^2+{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\β}}}_k}^2{B}^2\end{array}\right)P_{in}---\left(26\right)$

其中P_in是在光调制设备420的光输入端口422处的光信号的平均功率。

平衡光接收机160可包括两个平衡光电二极管，并且可以假设每个平衡光电二极管具有基本相同的响应性R。此外，光电二极管可背对背地连接。因此，平衡光接收机160的输出处的总光电流可通过下式给出。

$i_{tot}\left(t\right)=R\[P_1\left(t\right)-P_2\left(t\right)\]=\frac{{\mathrm{RP}}_{in}}{4}\[({{\mathrm{\α}}_k}^2-{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}}_k}^2)A^2+({{\mathrm{\β}}_k}^2-{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\β}}}_k}^2)B^2\]---\left(27\right)$

通过选择B＝1，可将总光电流配置为得到QPAM信号。

就所需的接收的每比特平均光能而言，可将多状态PAM差分信令的性能与传统多状态强度调制(IM)/直接检测(DD)作比较。可以假设来自光接收机前端的输出处的电光信号可被写成脉冲串，以下式表示：

$i\left(t\right)=\underset{m=-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{I}_{m}g(t-{\mathrm{mT}}_s)+n\left(t\right)---\left(28\right)$

其中I_m是与第m个接收的码元对应的光电流(即I_m＝RP_m，其中R代表光电二极管响应性而P_m代表第m个码元的接收光功率)，T_s是码元周期，n(t)是接收机发射和热噪声，而g(t)是脉冲形状。

可进一步假设发射噪声和热噪声两者均为加性高斯白噪声。另外，脉冲形状可以是正弦脉冲形状的理想情形，通过下式给出：

g(t)＝sin(πt/T_s)/(πt/T)_s (29)

正弦脉冲属于对零码元间干扰(ISI)满足耐奎斯特标准的上升余弦谱脉冲一族。它们的频谱G(f)是基本矩形的：

G(f)＝T_s，|f|≤1/2T_s (30)

此外，假设DD接收机前端之后是具有下列单位传递函数的匹配低通滤波器：

H(f)＝1，|f|≤1/(2T_s) (31)

在匹配滤波器的输出处，接收机判决电路可每一码元地对光电流进行采样。

i(kT_s)＝I_k+n_k (32)

其中n_k＝n(kT_s)是接收机发射和热噪声的经过滤的样本。后者遵循高斯分布，具有零平均值和方差。

${\mathrm{\σ}}_k^2={\mathrm{\σ}}_{sh,k}^2+{\mathrm{\σ}}_{th}^2,---\left(33\right)$

其中是第k个码元的发射和热光电流噪声的方差。用于光互连的IM/DD接收机可深度地工作在热噪声限值内，其中发射噪声方差相比热噪声方差小上一个数量级。因此，可作出下列简化：

${\mathrm{\σ}}_k^2\≅{\mathrm{\σ}}_{th}^2=2i_{th}^{2}B---\left(34\right)$

其中i_th是等效输入电噪声电流功率谱密度的rms值，以表示，而B是匹配的滤波器带宽，其等于：

B＝1/(2T_s) (35)

值得注意的是，由于匹配的滤波的形状，等式(34)中经滤波的接收机发射和热噪声的连续采样是无关联的。

对于多状态PAM，在没有热噪声时，在接收机输出处的光电流的样本可对应于M个离散的等距电平I₀-I_M-1。k＝log₂M比特的字可使用格雷(Gray)编码被赋予不同的光电流电平，即，与相邻信号电平对应的字可相差一个比特。在存在热噪声时，在接收机输出处的光电流的样本与它们的额定位置不同。判决阈值可被设置在连续电平之间的中点。

因此，可根据下式来计算多状态PAM差分信令和传统多状态IM/DD的误码概率。

$P_{e|b}=(M-1)erfc\[\sqrt{d^2/\left(2{\mathrm{\σ}}_{th}^2\right)}\]/\left(M\sqrt{{\log }_{2}M}\right)---\left(36\right)$

其中2d是相邻电流电平之间的距离并且互补误差函数通过下式给出：

$erfc\left(z\right)=(2/\sqrt{\mathrm{\π}})\underset{z}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}{e}^{-t^2}dt---\left(37\right)$

假设对于多状态PAM差分信令，电流电平从下列的集中取离散值：

而对于传统多状态IM/DD，电流电平从下列的集中取离散值：

两种情形下的相应接收的平均功率可通过下式表达：

${\stackrel{\‾}{P}}_{M-PAM}={\stackrel{\‾}{P}}_{M-lM/DD}=(M-1)d/R---\left(40\right)$ 多状态PAM差分信令和传统IM/DD两者可具有相同的接收机灵敏性。然而，在多状态PAM差分信令的情形下，由于互补调制的光信号的缘故，连续波光源的平均发射功率可相比其传统IM/DD对应值低3dB。例如，来自MZM的输出耦合器的两个分支的光功率被使用。

来自同一调制族内的二进制情形的电平数的增加可能诱导在非常低误差概率下的渐进的光能/b损失，这可被表示为：

$P_d=10\log \[(M-1)/\sqrt{{\log }_{2}M}\]---\left(41\right)$ 现在参见图12，光能/b损失被标绘为电平数的函数。例如，相比于二进制情形，从二进制转变至QPAM的光能/b损失为大约3.26dB。

基于前述内容，相信使用BPAM差分光信令相比传统IM/DD链路能使光能耗减少3dB的因数。此外，相信使用QPAM差分信令能交换3dB光能量优势以相比传统二进制IM/DD使码元速率减半。线路速率的降低可能导致器件成本的降低，使链路相对于色散的强健性增加四倍，并减少收发机电子器件的能耗。

现在应当理解，本文描述的实施例可被用于差分光信令。本文描述的系统可包括光调制设备(例如MZM或MZI)，其光耦合至平衡光接收机以产生多状态PAM信号。在一些实施例中，可通过添加多个二进制比特同步比特序列来合成电子多状态码元序列，所述二进制比特同步比特序列具有等于码元速率和比特流和不等的电压比。在又一些实施例中，多状态PAM光信号可通过添加具有不等场-振幅比的多个同相二进制PAM信号而被合成。此外，可使用具有非对称分支并且在每个分支上具有外部调制器(MZM)的嵌入MZI来产生光多状态PAM信号。多状态PAM光信号可用来减少高性能计算光互连结构和数据中心的总功耗。具体地说，互补的多状态PAM光波形相比传统多状态IM/DD可使传输光功率降低3dB。此外，互补的多状态PAM光波形允许将直接检测接收机的判决阈值设定至零，相比传统IM/DD显著简化。具体地说，判决阈值可被固定在过零并且多状态PAM可对称地布置在零状态周围。

要理解，术语“基本”和“大约”在本文中用来表示可归于任何量比较、值、测量或其它表示的固有不确定程度。在本文中还利用这些术语来表示量化表示不同于规定参考值但在此问题上不导致主题事项的基本功能改变的程度。

对本领域的技术人员显而易见的是，可在不背离要求保护的主题事项的精神和范围的情况下对本文描述的实施例作出各种修改和变化。由此，旨在使说明书覆盖本文描述的各实施例的多种修正和变化，只要这些修正和变化落在要求保护的权利要求书及其等效物的范围内。

Claims (22)

1.一种传输差分光信号的系统，包括：

光调制设备，其包括至少一个光输入端口和多个光输出端口，其中具有输入功率的光输入信号是在所述至少一个光输入端口处被接收的，并且所述光调制设备将所述光输入信号转换成多个互补调制光信号，所述多个互补调制光信号是从各自具有输出功率的多个光输出端口被发送的，并且所述多个互补调制光信号中的每一个的输出功率之和基本等于由所述光调制设备的至少一个光输入端口接收的光输入信号的输入功率；

多纤芯光波导，其光耦合至所述光调制设备的多个光输出端口，所述多纤芯光波导包括被设置在包层材料中的多个纤芯，其中所述多个纤芯、所述包层材料或这两者被配置成减轻所述多个纤芯之间的光能的交换；以及

平衡光接收机，其包括多个光检测器，其中所述平衡光接收机通信地耦合至所述多纤芯光波导的多个纤芯，并且所述多个光检测器中的每一个将所述多个互补调制光信号中的至少一个转换成电信号，并且所述平衡光接收机的多个光检测器的电信号被组合以形成脉冲振幅调制信号。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光调制设备是Mach-Zehnder调制器。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光调制设备包括并行排列的多个Mach-Zehnder调制器，以使所述多个Mach-Zehnder调制器中的每一个发送成对的多个互补调制光信号。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光调制设备是从开关构造中形成的。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述开关构造：(i)包括以级联配置的多个Y分支开关；和/或(ii)是形成于包括LiNbO₃的材料中。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光调制设备是从具有嵌入光调制器的Mach-Zehnder干涉仪中形成的。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，嵌入在所述Mach-Zehnder干涉仪内的光调制器是Mach-Zehnder调制器。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述脉冲振幅调制信号是在过零点周围被对称地调制的。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述脉冲振幅调制信号是(i)多状态的、或者(ⅱ)是二进制的、或者(ⅲ)是四进制的。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于：(i)所述多个光检测器是匹配的光检测器，其具有基本相同的响应速度、灵敏性、响应性和暗电流；和/或(ⅱ)多个光检测器是光电二极管。

11.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述多纤芯光波导是光纤带。

12.如权利要求1所述的系统，其特征在于：(i)所述多纤芯光波导的多个纤芯中的每一个具有匹配的有效折射率；和/或(ⅱ)所述多个纤芯包括掺杂有掺杂剂的基于二氧化硅的玻璃。

13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述掺杂剂是B、F、GeO₂、SiO₂、TiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅、Ta₂O₅或上述各项的组合。

14.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多纤芯光波导的多个纤芯包括具有相对小直径的第一纤芯以及具有相对大直径的第二纤芯，并且所述第一纤芯是与第二纤芯相邻的纤芯。

15.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多纤芯光波导的多个纤芯中的每一个是阶跃式折射率纤芯。

16.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多纤芯光波导的多个纤芯中的每一个基本由串扰阻挡环围绕。

17.如权利要求16所述的系统，其特征在于，所述串扰阻挡环是从造成所述包层材料中的折射率不连续性的材料形成的。

18.如权利要求16或17所述的系统，其特征在于，所述串扰阻挡环是从散射器、吸光材料或上述各项的组合形成的。

19.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多纤芯光波导的多个纤芯中的两个或更多个是基本由一个串扰阻挡环围绕。

20.如权利要求1所述的系统，其特征在于，光隔离区位于所述多纤芯光波导的多个纤芯中的两个之间。

21.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述光隔离区是从光反射界面形成的。

22.如权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述多纤芯光波导的多个纤芯包括具有相对小直径的第一纤芯以及具有相对大直径的第二纤芯；

所述第一纤芯是与所述第二纤芯相邻的纤芯；

所述多纤芯光波导的所述第一纤芯和所述第二纤芯中的每一个是基本由串扰阻挡环围绕；以及

光隔离区位于所述多纤芯光波导的所述第一纤芯和所述第二纤芯之间。