CN105684330B - 用于生成可编程n正交幅度调制的数字光调制器 - Google Patents

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Abstract

一种光收发器，包括：光信号输入端；第一调制段，耦合至所述光信号输入端；第二调制段，耦合至所述光信号输入端，并且和所述第一调制段串联，其中，所述第一调制段包括：第一数字电信号输入端；第一数字驱动器，耦合至所述第一数字电信号输入端；以及第一调制器，耦合至所述第一数字驱动器；所述第二调制段包括：第二数字电信号输入端；第二数字驱动器，耦合至所述第二数字电信号输入端；以及第二调制器，耦合至所述第二数字驱动器；以及光信号输出，耦合至所述第一调制段和所述第二调制段。

Description

用于生成可编程n正交幅度调制的数字光调制器
相关申请案交叉申请
本申请要求于2013年11月8日递交的发明名称为“用于生成可编程n正交幅度调制的数字光调制器”的第14/075,882号美国专利申请的在先申请优先权，该在先申请的内容以引入的方式并入本文。
技术领域
本发明大体涉及通信网络，特别地，涉及一种用于生成可编程n正交幅度调制的数字光调制器。
背景技术
正交幅度调制(简称QAM)是一种通过调制两个载波的幅度来传输两个信号的调制方案。所述载波通常为正弦波，且由于两者之间的相位差为90度而被称作正交载波。然后，对调制载波进行相加并传输至目的地。QAM广泛用于通信领域，并且越来越多地用于光纤系统中。
发明内容
在一个实施例中，本发明包括一种装置，包括：数字电信号输入端；光信号输入端；数字驱动器，耦合至所述数字电信号输入端；以及调制器，耦合至所述光信号输入端和所述数字驱动器，其中，所述数字电信号输入端和所述调制器之间不存在数模转换器。
在另一实施例中，本发明包括一种光收发器，包括：光信号输入端；第一调制段，耦合至所述光信号输入端；第二调制段，耦合至所述光信号输入端，和所述第一调制段并联，其中，所述第一调制段包括：第一数字电信号输入端；第一数字驱动器，耦合至所述第一数字电信号输入端；以及第一调制器，耦合至所述第一数字驱动器；所述第二调制段包括：第二数字电信号输入端；第二数字驱动器，耦合至所述第二数字电信号输入端；以及第二调制器，耦合至所述第二数字驱动器；以及光信号输出，耦合至所述第一调制段和所述第二调制段。
在又一实施例中，本发明包括一种方法，包括：接收光信号；以及采用来自数字电信号处理器的数字电信号对所述光信号进行调制，其中，在将所述数字电信号用于调制所述光信号之前，不将所述数字电信号转换为模拟信号。
结合以下附图和权利要求的详细描述，这些以及其他特征将会被清楚的理解。
附图说明
为了更透彻地理解本发明，现参阅结合附图和具体实施方式而描述的以下简要说明，其中的相同参考标号表示相同部分。
图1为一种可以用于生成n QAM的传统装置的实施例示意图；
图2为一种可以用于生成n QAM的数字光收发器的实施例示意图；
图3为本发明实施例提供的一种16QAM信号星座图；
图4为本发明实施例提供的一种64QAM信号星座图；
图5为一种在采用3个调制段的收发器的一个分支中生成16QAM的实施例的示意图；
图6为本发明实施例提供的一种针对采用3个调制段生成16QAM的电场值表；
图7示出了一种可以用于生成n QAM的收发器的实施例中延迟的示意图；
图8为一种针对可以用于生成n QAM的收发器实施例的电场值表；
图9为一种可以用于生成n QAM的数字光收发器的实施例的示意图；
图10为本发明实施例提供的一种针对采用两个不相等段生成16QAM的电场值表。
具体实施方式
首先应理解，尽管下文提供一项或多项实施例的说明性实施方案，但所公开的系统和/或方法可使用任何数目的技术来实施，无论该技术是当前已知还是现有的。本发明决不应限于下文所说明的说明性实施方案、附图和技术，包括本文所说明并描述的示例性设计和实施方案，而是可在所附权利要求书的范围以及其等效物的完整范围内修改。
在40千兆位每秒(简称Gb/s)、100Gb/s和/或更快的系统中越来越多的采用相干技术已经成为光电子学的最新趋势。然而，高速模数(简称ADC)和/或数模转换器(简称DAC)、光调制器以及线性射频(简称RF)驱动器等各种关键光电子部件与高功耗和高成本有关，因而可能会不利于收发器等部件以相干形式实现。因而，需要适用于光电子系统的低功率调制器。
在此公开了一种比现有技术的设计采用更简单硬件的用于生成多种电信号调制格式的系统。该系统可以采用分段相位调制器，该相位调制器可以采用一个或多个数字驱动器以便于生成多种调制格式，例如非归零(简称NRZ)和/或n正交幅度调制(简称n QAM)，其中，n为整数，表示调制的等级或程度。该系统也可以便于调制光信号，在专用集成电路(简称ASIC)生成用于控制调制的信号的输出处无需线性驱动器和/或无需DAC。因此，该公开的系统可以降低通常与光调制有关的功率损耗和成本。
图1是一种可以用于生成n QAM的传统装置100的实施例示意图。装置100可以包括一个或多个DAC 110(例如，位于ASIC内)，其耦合至一个或多个线性RF驱动器120，而驱动器120耦合至I/Q调制器130。该I/Q调制器130可以接收输入光信号，并将信号分成两个分量——可以称为信号的“同相”分量的I分量和可以称为信号的正交分量的Q分量。信号的Q分量可能会经历与信号的I分量的90度相移。DAC 110可以从ASIC接收N比特(其中，N为整数，且N>0)数字电信号，将该N比特数字电信号转换为对应的模拟信号。然后，该对应的模拟信号可以通过线性RF驱动器120进行传输，从而将信号的输出功率增加至足以带动I/Q调制器130以及足以实现输出光信号的合理功率电平的一个水平。每个DAC 110和线性RF驱动器120可能具有相对较高的功率损耗，例如，4个40纳米(简称nm)工艺互补型金属氧化物半导体(简称CMOS)DAC大约为6瓦特(简称W)，一个基于砷化镓(简称GaAs)的RF驱动器大于为5W至8W。DAC 110和线性RF驱动器120也可能在集成光电子电路冲模的相对有限的可用空间占用大量空间。另外，由于在制造DAC中所使用的40nm CMOS工艺的制约，每个DAC 110可以具有有限的大约15–20吉兆赫(简称GHz)的带宽，从而将装置100的整体带宽限制在大约15–20GHz。DAC 110和线性RF驱动器120的高功耗可能使得高密度多信道集成难以实现。
图2是一种可以用于生成n QAM的数字光收发器200的实施例示意图。收发器200可以包括光信号输入、光分路器、数字电信号输入210a–n、用作驱动器的逻辑逆变器220a–n、分段光相位I/Q调制器230(包括I信号分量调制段230a和Q信号分量调制段230b)、移相器240、光合路器以及光信号输出。光分路器和光合路器可以是分段相位调制器的固有的内在部件，为清楚起见进行说明。收发器200还可以包括两个分支或分段，一个用作调制段230a，一个用作调制器230b。收发器200的每个分支可以包括N个段，其中，N为整数，且可以受限于生成数字电信号输入210a–n的ASIC的数字电信号输出分辨率。在一些实施例中，生成n QAM需要的最小段数N可以根据等式N＝(n0.5)-1确定。每个段可以包括数字电信号输入210，耦合至一个或多个逻辑逆变器220，每个逻辑逆变器又依次耦合至各自的调制段230a或230b。一旦进入收发器200，光信号输入可以由光分路器分别分成为I和Q信号分量，然后，I和Q信号分量可以传输至相应的调制段230a和230b。数字电信号输入210a–n可以是可用于驱动调制器230的数字电信号。数字电信号输入210a–n还可以是差分信号，在第一侧取值大约为+1，在第二侧取值大约为–1。数字电信号输入210a–n可以传输至逻辑逆变器220a–n，以便在传输信号至调制器230之前增加信号的功率电平。移相器240可以耦合至调制段230b的输出处，并且可以使来自调制段230b的输出信号的相位偏移90度。光合路器可以将来自移相器240的输出信号和来自调制段230a的输出信号进行合并，以生成光信号输出。
收发器200的每个分支可以包括位于每个工作段之间的隔离段，，以降低段间串扰和提升整体性能。另外，可以对插入损耗、每个段的长度以及Vπ进行优化以利于最佳的可能带宽输出功率。例如，对于大约具有10个段的收发器来说，每个段长度大约为0.5毫米(简称mm)，总的工作段长度可以大约为5mm。对于大约1分贝(简称dB)/mm的插入损耗，Vπ*L＝1伏特(V)*厘米(cm)，大约1伏特峰-峰值(简称Vpp)的固定驱动器输出来说，工作区域的总插入损耗可以大约为5dB，Vπ＝2V，且欠调制导致的调制损耗可以大约为3dB。在此示例中，总的调制损耗可以大约为8dB(不包括多模接口(简称MMI))。用作数字驱动器的逻辑逆变器220a–n可以消耗很少的功率。这可能因为逻辑逆变器220a–n可以在打开或关闭状态工作，而没有变化程度，且理论上可以没有电流通过。例如，一个Vpp等于大约1V的、具有8个40nmCMOS的逆变器的阵列可以消耗大约100微瓦特(简称mW)功率。采用4驱动器阵列的双极化(简称DP)n QAM收发器可以消耗大约400mW的功率，这与装置100相比，功耗显著减少。在收发器中，例如收发器200，相对于装置100显著减少的功耗可以通过去除DAC和线性驱动器实现。另外，DAC的去除可以使收发器，例如收发器200，的带宽增加至一个仅受限于调制器的每个单独段的数值，而不是调制器自身或者DAC的总的共同带宽。因此，收发器200可以在其调制光信号时不采用DAC或者线性驱动器。
通过将邻近段分组在一起并且同时从ASIC对这些段进行驱动，可以形成收发器200的替代实施例，从而对收发器200进行编程以生成不同的n QAM信号。例如，在采用7个段的收发器200中，通过将连续两组3个段分组在一起可以形成替代实施例，从而便于生成16QAM正交相移键控(简称QPSK)信号。剩余的段可以禁用，可以用作额外比特进行均衡，或者可以按设计选择所确定的其他方式使用。通过采用将这些段的组合进行分组的技术，收发器200的实施例可以形成：能够使用相同硬件生成多个信号，例如NRZ和/或n QAM。
图3是本发明实施例提供的一种16QAM信号星座图300。收发器，例如图2所示的收发器200可以根据等式3＝(160.5)-1通过采用大约3个相等段生成16QAM信号。对于每个偏置为零的段，可以生成大约4个输出幅度和大约两个相位，例如，0或π。则输出幅度可以由光合路器合并以生成完整的16QAM信号。可以根据本发明实施例生成具有不同调制等级的信号，例如64QAM信号和16QAM信号。
图4是本发明实施例提供的一种64QAM信号星座图400。图4的生成可以基本类似于图3，然而，图4可以采用更大的段数N。相应地，通过为收发器，例如图2所示的收发器200的每个分支增加更多段N，可以实现更高等级调制，例如，更高阶n QAM信号。例如，采用7个相等段可以使收发器根据等式7＝(640.5)-1生成64QAM信号。
图5是一种在采用3个调制段的收发器的一个分支中生成16QAM的实施例的示意图。改变发送至用以驱动调制器的驱动器的数字电信号的数值，例如，信号输入210a–n的数值，可以改变由此产生的调制光信号的相位。电场幅度(E)为：电场的相位基于调制信号的相位并根据等式确定，其中，为调制信号的相位。如图5所示，来自收发器一个分支的信号，例如，来自I信号分量分支的信号，可以随后和对应的来自收发器另一个分支例如Q信号分量分支的信号进行合并，以形成可以传输至另一设备的完整光信号。
图6为本发明实施例提供的一种针对采用3个调制段生成16QAM的电场值表。图6的生成可以基本类似于图5。当从数字信号处理器和/或ASIC接收的数字电信号输入改变时，例如数字电信号输入210a–n改变时，由此产生的电场以及与其相关联的相位可以根据上述与图5相关的等式确定。例如，在一种调制方案的实施例中，设置第一数字电信号D0为–1，第二数字电信号为–1，以及第三数字电信号为–1，如图6所示，调制器的状态可以为–3，生成的电场取值大约为2、相位大约为0。在替代实施例中，第一和第二数字电信号保持不变，而设置第三数字电信号为1，则调制器的状态可以为–1，生成的电场取值大约为1、相位大约为π/3。图5更完整的示出了其他可能调整方案和相关数值的非包含采样。
图7示出了一种可以用于生成n QAM的收发器的实施例中延迟的示意图700。在收发器例如收发器200内，光信号和电信号之间的延迟可以通过数字方式或者按设计进行控制。收发器的每个分支的第一段和第二段之间均可能存在光延迟710，且取值为Δt。相应地，收发器的每个分支的第一段和第n段之间的光延迟可以取值为ΔNt。可以在每个段的数字电信号输入730和逻辑逆变器740之间引入对应的电延迟720。该电延迟720可以与各自段上的光延迟的取值对应。可以引入电延迟720使得数字电信号输入730可以和光信号同相。
图8为一种针对可以用于生成n QAM的收发器实施例的电场值表。图8中的标示可以基本与图6中的标示相似。通过在收发器的每个分支采用4个相等段而不是最少数目的3段，可以形成用于生成16QAM的收发器的替代实施例。然而，如图8所示，采用4个相等段可能会导致收发器生成的电场变化，电场间隔不均。电场间隔不均可能会导致收发器的星座图失真。为纠正和均衡该间距，可以应用具有不同分段长度或非零偏置点的收发器的实施例。
图9为一种可以用于生成n QAM的数字光收发器900的实施例的示意图。所述收发器900可以基本与收发器200相似，然而，收发器900可以在收发器900的每个分支采用不相等的段长。换句话说，收发器900的每个段可以包含不同数量的驱动器。例如，如果收发器900的第一段910的长度为L，则第二段920可以大约长为2*L，采用两个逻辑逆变器作为具有相同输入的驱动器，第三段(未示出)大约长为3*L，采用三个逻辑逆变器作为具有相同输入的驱动器，第N段930大约长为N*L，采用N个逻辑逆变器作为具有相同输入的驱动器。通过采用数量与各自段的数目大约相等的逻辑逆变器，例如，第一段采用一个逻辑逆变器，第二段采用两个逻辑逆变器，……，第N段采用N个逻辑逆变器，可以保持每个段的带宽相等。在收发器900的一个实施例中，通过在收发器的每个分支采用大约两个段而非图2所示的收发器200所需的3个段，可以生成16QAM信号。通常，收发器900的结构可以使之在I和Q调制段均生成幅度大约为2N的信号，从而生成大约为(2N)2QAM的信号。
图10为本发明实施例提供的一种针对采用两个不相等段生成16QAM的电场值表。图10中的标示可以基本与图6和图8中的标示相似。图10中的数值可以与基本类似于图9的硬件结构对应。从图10中可以看出，相比图2所示的收发器200，采用不相等段长可以使收发器900采用更少的段生成等效的n QAM信号。
本发明公开至少一项实施例，且所属领域的普通技术人员对所述实施例和/或所述实施例的特征作出的变化、组合和/或修改均在本发明公开的范围内。因组合、合并和/或省略所述实施例的特征而得到的替代性实施例也在本发明的范围内。在明确说明数字范围或限制的情况下，此类表达范围或限制应被理解成包括在明确说明的范围或限制内具有相同大小的迭代范围或限制(例如，从约为1到约为10包括2、3、4等；大于0.10包括0.11、0.12、0.13等)。例如，只要公开具有下限Rl和上限Ru的数字范围，则明确公开了此范围内的任何数字。具体而言，在所述范围内的以下数字是明确公开的：R＝Rl+k*(Ru–Rl)，其中k为从1％到100％范围内以1％递增的变量，即，k为1％、2％、3％、4％、5％……50％、51％、52％……95％、96％、97％、98％、99％或100％。此外，由上文所定义的两个数字R定义的任何数字范围也是明确公开的。除非另有说明，否则术语“约”是指随后数字的±10％。相对于权利要求的任一元素使用术语“选择性地”意味着所述元素是需要的，或者所述元素是不需要的，两种替代方案均在所述权利要求的范围内。使用如“包括”、“包含”和“具有”等较广术语应被理解为提供对如“由……组成”、“基本上由……组成”以及“大体上由……组成”等较窄术语的支持。因此，保护范围不受上文所陈述的说明限制，而是由所附权利要求书界定，所述范围包含所附权利要求书的标的物的所有等效物。每一和每条权利要求作为进一步揭示内容并入说明书中，且所附权利要求书是本发明的实施例。对所述揭示内容中的参考进行的论述并非承认其为现有技术，尤其是具有在本申请案的在先申请优先权日期之后的公开日期的任何参考。本发明中所引用的所有专利、专利申请案和公开案的揭示内容特此以引用的方式并入本文本中，其提供补充本发明的示例性、程序性或其它细节。
虽然本发明中已提供若干实施例，但应理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本发明所公开的系统和方法可以以许多其他特定形式来体现。本发明的实例应被视为说明性而非限制性的，且本发明并不限于本文本所给出的细节。例如，各种元件或部件可以在另一系统中组合或合并，或者某些特征可以省略或不实施。
此外，在不脱离本发明的范围的情况下，各种实施例中描述和说明为离散或单独的技术、系统、子系统和方法可以与其它系统、模块、技术或方法进行组合或合并。展示或论述为彼此耦合或直接耦合或通信的其它项也可以采用电方式、机械方式或其它方式通过某一接口、设备或中间部件间接地耦合或通信。其他变化、替代和改变的示例可以由本领域的技术人员在不脱离本文精神和所公开的范围的情况下确定。

Claims (20)

1.一种装置，其特征在于，包括：
数字电信号输入端；
光信号输入端；
数字驱动器，耦合至所述数字电信号输入端；
调制器，耦合至所述光信号输入端和所述数字驱动器；其中，所述调制器包括N段，N为整数；所述调制器用于生成n正交幅度调制信号(nQAM)，n表示调制的等级，所述N的最小值为n0.5-1；
所述数字电信号输入端和所述调制器之间不存在数模转换器。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数字驱动器包括逻辑逆变器。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数字驱动器包括多个并联设置的逻辑逆变器。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置在所述数字电信号输入端和所述调制器之间不包括线性射频(简称RF)驱动器。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括：
光分路器，位于所述光信号输入端和所述调制器之间，将光信号分离为I分量和Q分量；
光合路器，位于所述调制器和光信号输出之间，用于合并所述I分量和Q分量。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述调制器包括第一段，耦合至所述I分量；以及第二段，耦合至所述Q分量，其中，所述第一段和所述第二段并联，移相器耦合在所述第二段和所述光合路器之间。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括延迟模块，位于所述数字电信号输入端和所述数字驱动器输入端之间，其中，所述延迟模块用于使所述光信号输入端的输入的相位与所述数字电信号输入端的输入的相位相匹配。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置为光收发器的一部分。
9.一种光收发器，其特征在于，包括：
光信号输入端；
第一调制段分组，耦合至所述光信号输入端；
第二调制段分组，耦合至所述光信号输入端，和所述第一调制段分组并联；
其中，所述第一调制段分组包括：
第一数字电信号输入端；
第一数字驱动器，耦合至所述第一数字电信号输入端；
第一调制器，耦合至所述第一数字驱动器；
其中，所述第二调制段分组包括：
第二数字电信号输入端；
第二数字驱动器，耦合至所述第二数字电信号输入端；
第二调制器，耦合至所述第二数字驱动器；
光信号输出，耦合至所述第一调制段分组和所述第二调制段分组；
其中，所述第一调制段分组和所述第二调制段分组用于生成n正交幅度调制信号(nQAM)，所述第一调制器和所述第二调制器都包括N段，所述N的最小值为n0.5-1。
10.根据权利要求9所述的光收发器，其特征在于，所述第一数字驱动器包括第一数字逻辑逆变器，耦合至所述第一数字电信号输入端和所述第一调制段分组，其中，所述第二数字驱动器包括第二数字逻辑逆变器，耦合至所述第二数字电信号输入端和所述第二调制段分组。
11.根据权利要求10所述的光收发器，其特征在于，所述第一数字电信号输入端的输入从数字电信号处理器传输至所述第一数字逻辑逆变器，无需使用数模转换器，所述第二数字电信号输入端的输入从所述数字电信号处理器传输至所述第二数字逻辑逆变器，无需使用数模转换器。
12.根据权利要求10所述的光收发器，其特征在于，线性射频(简称RF)驱动器不作为所述第一数字驱动器或所述第二数字驱动器。
13.根据权利要求9所述的光收发器，其特征在于，所述第一调制段分组还包括：
第三数字电信号输入端；
第三数字驱动器，耦合至所述第三数字电信号输入端和所述第一调制段分组，其中，所述第三数字驱动器包括多个数字逻辑逆变器；
所述第二调制段还包括：
第四数字电信号输入端；
第四数字驱动器，耦合至所述第四数字电信号输入端和所述第二调制段分组，其中，所述第四数字驱动器包括多个数字逻辑逆变器。
14.根据权利要求9所述的光收发器，其特征在于，所述光收发器的带宽受限于每个调制器驱动段各自的带宽，而不受限于调制器的整体取值。
15.根据权利要求9所述的光收发器，其特征在于，所述光信号输入端的输入和每个数字电信号输入端的输入具有匹配的相位。
16.根据权利要求9所述的光收发器，其特征在于，移相器耦合在所述第二调制段分组输出和所述光信号输出之间。
17.根据权利要求9所述的光收发器，其特征在于，所述第一调制段分组和所述第二调制段分组包括分段光相位调制器。
18.一种方法，其特征在于，包括：
接收光信号；
采用来自数字电信号处理器的数字电信号来驱动调制器对所述光信号进行调制，以生成n正交幅度调制信号(nQAM)，n为整数，其中，在将所述数字电信号用于调制所述光信号之前，不将所述数字电信号转换为模拟信号；
所述调制器包括N段，所述N的最小值为n0.5-1。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，对所述光信号进行调制所使用的速度受限于调制器的带宽。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述数字电信号和数字逻辑逆变器包括驱动器，用于调制所述光信号。
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