CN107210821A - 使用马赫曾德尔调制器（mzm）的多电平相移的数字生成 - Google Patents

使用马赫曾德尔调制器（mzm）的多电平相移的数字生成 Download PDF

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Abstract

一种装置，其包括：第一电驱动器，其用于根据第一数据产生第一二进制电压信号；第二电驱动器，其用于根据第二数据产生第二二进制电压信号，其中所述第一数据和所述第二数据不同；以及第一光波导支路，其耦合到所述第一电驱动器和所述第二电驱动器，其中所述第一光波导支路用于根据所述第一二进制电压信号与所述第二二进制电压信号之间的第一电压差使沿着所述第一光波导支路传播的第一光信号的第一相位移位从而产生第一多电平相移光信号。

Description

使用马赫曾德尔调制器(MZM)的多电平相移的数字生成
相关申请案交叉申请
本发明要求Morgan Chen等人于2015年1月22日递交的发明名称为“使用马赫曾德尔调制器(MZM)的多电平相移的数字生成(Digital Generation of Multi-Level PhaseShifting with a Mach-Zehnder Modulator(MZM))”的第62/106,512号美国临时专利申请案以及相同发明人于2016年1月7日递交的发明名称为“使用马赫曾德尔调制器(MZM)的多电平相移的数字生成(Digital Generation of Multi-Level Phase Shifting with aMach-Zehnder Modulator(MZM))”的第14/989,966号美国非临时专利申请案的在先申请优先权，该在先申请两者的内容以引入的方式并入本文本中。
技术领域
光通信、电光调制、硅光子。
背景技术
光纤已经广泛用于提供高速通信链路。采用光纤的光链路提供与电链接相比的许多优点。这些优点包含带宽大、抗噪声度高、功率耗散减小以及串音减少。在使用光纤输送光通信信号的通信系统或网络中，使用各种光电设备来控制、修改和处理光信号。
发明内容
在一个实施例中，本发明包含装置，其包括：第一电驱动器，其用于根据第一数据产生第一二进制电压信号；第二电驱动器，其用于根据第二数据产生第二二进制电压信号，其中第一数据和第二数据不同；以及第一光波导支路，其耦合到第一电驱动器和第二电驱动器，其中第一光波导支路用于根据第一二进制电压信号与第二二进制电压信号之间的第一电压差使沿着第一光波导支路传播的第一光信号的第一相位移位从而产生第一多电平相移光信号。在一些实施例中，本发明还包含第一电驱动器，其进一步用于提供第一二进制电压信号的第一电压摆幅，其中第二电驱动器进一步用于提供第二二进制电压信号的第二电压摆幅，其中第一电压摆幅不同于第二电压摆幅，并且其中第一多电平相移光信号包括至少四个信号电平，和/或进一步包括电平转换，所述电平转换耦合到第一电驱动器并用于使第一二进制电压信号的电压电平移位，使得第一电压差包括至少四个电压阶跃，和/或其中第一电驱动器和第二电驱动器是互补型金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)驱动器，和/或其中第一二进制电压信号和所述第二二进制电压信号包括同步的比特转移，和/或其中第一光波导支路包括沿着光程的多个分段，其中第一电驱动器和第二电驱动器位于多个分段的第一分段，其中所述装置进一步包括：第三电驱动器，其在多个分段的第二分段处耦合到第一光波导支路，其中第三电驱动器用于根据第三数据产生第三二进制电压信号；以及第四电驱动器，其在第二分段处耦合到第一光波导支路，其中第四电驱动器用于根据第四数据产生第四二进制电压信号，其中第一数据、第二数据、第三数据以及第四数据不同，并且其中第一光波导支路进一步用于根据第三二进制电压信号与第四二进制电压信号之间的第二电压差使第一相位移位，和/或第一光波导支路包括沿着光程的多个分段，其中第一电驱动器和第二电驱动器位于多个分段的第一分段，其中所述装置进一步包括：第三电驱动器，其在多个分段的第二分段处耦合到第一光波导支路，其中第三电驱动器用于根据延迟之后的第一数据产生第三二进制电压信号；以及第四电驱动器，其在第二分段处耦合到第一光波导支路，其中第四电驱动器用于根据延迟之后的第二数据产生第四二进制电压信号，并且其中第一光波导支路进一步用于根据第三二进制电压信号与第四二进制电压信号之间的第二电压差使第一相位移位，和/或进一步包括第一马赫曾德尔调制器(Mach-Zehnder modulator，MZM)，其中第一电驱动器、第二电驱动器以及第一光波导支路是第一MZM的部分，和/或其中第一MZM进一步包括：第一光分路器，其耦合到第一光波导支路并用于将第三光信号分成第一光信号和第二光信号；第二光波导支路，其耦合到第一光分路器，并用于根据第一数据的反向数据和第二数据的反向数据使第二光信号的第二相位移位从而产生第二多电平相移光信号；以及第一光合路器，其耦合到第一光波导支路和第二光波导支路，并用于组合第一多电平相移光信号和第二多电平相移光信号以产生包括至少四个电平的第一脉冲幅度调制(pulse-amplitudemodulation，PAM)信号，和/或进一步包括同相正交相(in-phase quadrature-phase，IQ)调制器，其中第一MZM是IQ调制器的部分，并且其中第一PAM信号对应于同相(in-phase，I)分量，和/或其中IQ调制器进一步包括：第二光分路器，其耦合到第一MZM并用于将第四光信号分成第三光信号和第五光信号；第二MZM，其耦合到第二光分路器，其中第二MZM用于根据第三数据和第四数据调制第五光信号以产生第二PAM光信号；移相器，其耦合到第二MZM并用于将第二PAM光信号的相位移位圆周率(π)/2弧度从而产生正交相(quadrature-phase，Q)分量；以及第二光合路器，其耦合到第一MZM和移相器，其中第二光合路器用于组合I分量和Q分量从而产生第一16阶正交幅度调制(16quadrature-amplitude modulation，16QAM)信号。
在另一实施例中，本发明包含一种方法，其包括：根据第一数据产生第一数字电信号；根据第二数据产生第二数字电信号，其中第一数据和第二数据是不同的数据；以及根据第一电信号与第二数字电信号之间的第一电压差调制沿着第一光波导支路传播的第一光信号的第一相位从而产生包括至少四个电平的第一多电平调相信号。在一些实施例中，本发明还包含使至少第一数字电信号的电压电平移位，使得第一电压差包括交错的电压阶跃，和/或跨第一光波导支路的第一电接面应用第一电信号和第二电信号，和/或根据第三数据产生第三数字电信号，和/或根据第四数据产生第四数字电信号，和/或跨第一光波导支路的第二电接面应用第三电信号和第四电信号，和/或进一步根据第三电信号与第四数字电信号之间的第二电压差调制第一相位，其中第一数据、第二数据、第三数据以及第四数据是不同的数据，和/或跨第一光波导支路的第一电接面应用第一电信号和第二电信号，和/或根据延迟之后的第一数据产生第三数字电信号，和/或根据延迟之后的第二数据产生第四数字电信号，和/或跨第一光波导支路的第二电接面应用第三电信号和第四电信号，和/或进一步根据第三电信号与第四数字电信号之间的第二电压差调制第一光信号的第一相位，和/或根据第一数据的反向数据产生第三数字电信号，和/或根据第四数据的反向数据产生第四数字电信号，和/或根据第三电信号与第四数字电信号之间的第二电压差调制沿着第二光波导支路传播的第二光信号的第二相位从而产生第二多电平调相信号，以及组合第一多电平调相信号和第二多电平调相信号以产生四阶脉冲幅度调制(four-levelpulse-amplitude modulation，PAM-4)信号。
在又另一个实施例中，本发明包含一种装置，其包括：马赫曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)支路，其包括电接面，其中所述电接面包括第一端子和第二端子；第一CMOS驱动器，其耦合到第一端子并用于提供第一输出电压摆幅；以及第二CMOS驱动器，其耦合到第二端子并用于提供第二输出电压摆幅，其中第一输出电压摆幅和第二输出电压摆幅不同，并且其中跨第一端子和第二端子的电压差包括至少四个电压阶跃。在一些实施例中，本发明还包含：第一输出电压摆幅在第一电压电平与第二电压电平之间，其中所述装置进一步包括位于第一CMOS驱动器与第一端子之间的电压电平移位元件，并且其中电压电平移位元件用于使第一电压电平和第二电压电平移位到更高电压电平，和/或第一端子对应于电接面的负端子，并且第二端子对应于电接面的正端子，使得电接面配置成具有反向偏置，和/或其中第一CMOS驱动器进一步用于接收大于第一CMOS驱动器的第一击穿电压的第一输入电压，其中第二CMOS驱动器进一步用于接收大于第二CMOS驱动器的第二击穿电压的第二输入电压，并且其中电压差大于第一输入电压和第二输入电压。
从结合附图以及权利要求书进行的以下详细描述中将更清楚地理解这些以及其他特征。
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是硅MZM的示意图。
图2是根据本发明的实施例的以数字方式产生多电平相移的硅MZM的示意图。
图3是根据本发明的实施例的调制器驱动器部分的示意图。
图4A是示出根据本发明的实施例在调制器驱动器部分的正-负(positive-negative，PN)接面处的端电压的图表。
图4B是示出根据本发明的实施例由调制器驱动器部分产生的调制电压的图表。
图4C是示出根据本发明的另一实施例在调制器驱动器部分的PN接面处的端电压的图表。
图4D是示出根据本发明的另一实施例由调制器驱动器配置产生的调制电压的图表。
图5是根据本发明的实施例的电平转换的示意图。
图6是根据本发明的实施例由CMOS驱动器驱动的MZM的示意图。
图7是根据本发明的实施例的分段式MZM的示意图。
图8是根据本发明的实施例的具有分布式调制器驱动器配置的MZM的示意图。
图9是根据本发明的实施例的双偏振 16阶正交幅度调制(dual-polarization16quadrature-amplitude modulation，DP-16QAM)调制器的示意图。
图10A是根据本发明的实施例由IQ调制器产生的I分量的星座图。
图10B是根据本发明的实施例由IQ调制器产生的Q分量的星座图。
图10C是根据本发明的实施例的通过IQ调制器产生的输出信号的星座图。
图11是示出根据本发明的实施例在马赫曾德尔干涉仪(Mach-Zehnderinterferometer，MZI)支路分段处的强度和电(electric，E)场的图表。
图12是示出根据本发明的实施例的解调光信号的眼图的图表。
图13是根据本发明的实施例的产生多电平相移信号的方法的流程图。
图14是根据本发明的实施例的产生具有增大的调制深度的多电平相移信号的方法的流程图。
图15是根据本发明的实施例的产生具有增大的输出数据速率的多电平相移信号的方法的流程图。
图16是根据本发明的实施例的产生具有增大的输出带宽的多电平相移信号的方法的流程图。
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。
图1是硅MZM 100的示意图。MZM 100是基于MZI的电光(electro-optical，EO)调制器。MZM 100用于将电信号转化为光信号以在光通信系统中传输。MZM 100包括分别经由光分路器120和光合路器150耦合在输入光波导110与输出光波导160之间的一对MZI支路130、140。实线箭头表示光信号传播的方向。光分路器120和光合路器150可以是任何光耦合器，例如3分贝(decibel，dB)耦合器、定向耦合器以及多模干涉(multi-mode interference，MMI)耦合器。MZI支路130包括电接面134，例如PN接面或金属-氧化物半导体(metal-oxidesemiconductor，MOS)电容器接面。当跨电接面134施加电压时，在行进通过MZI支路130的光信号中诱发相移，从而在MZI支路130处形成移相器133。为了控制跨电接面134的电场，一对电极131、132分别在负端子135和正端子136处连接到MZI支路130的电接面134。通常，电极131、132中的一个还接地。MZI支路140类似于MZI支路130。在MZI支路140的电接面144处形成移相器143。一对电极141、142分别在负端子145和正端子146处连接到MZI支路140的电接面144。
在操作中，输入光波导110用于接收光信号。例如，光信号可以由连续波(continuous wave，CW)激光等光源产生。光分路器120将光信号分成第一部分和第二部分。光分路器120将第一光信号部分耦合到MZI支路130中，并将第二光信号部分耦合到MZI支路140中。在MZI支路130处跨电极131和132施加表示为A的数字电信号。移相器133根据数字电信号A调制第一光信号部分的相位从而产生第一调相或相移光信号。例如，数字电信号A是包括两个电压电平的二进制电压信号，一个表示二进制数字1且另一个表示二进制数字0。每个电压电平使移相器133产生特定相移。跨电极141和142将数字电信号A的反向信号或补充信号施加至另一个MZI支路140，所述反向信号或补充信号表示为虚线箭头表示电信号流动方向。移相器143根据数字电信号调制第二光信号部分以产生第二调相或相移光信号。
光合路器150组合第一相移光信号和第二相移光信号以在输出光波导160处产生调制光信号。将具有相反极性的数字电信号施加到MZI支路130、140被称为推挽式配置，并且MZI支路140被称为互补MZI支路。推挽式配置能使调制深度增加，这可以提供增大的相位摆幅、增大的输出功率和更高的消光比(extinction ratio，ER)。消光比指由激光二极管等光源产生的数字信号的两个光功率电平的比。另外，推挽式MZM可以采用更短的MZI支路，这能减少MZM的占用面积。
MZM 100等MZM可以各种配置进行配置。光网络的快速增长以及对更大容量的需求已将研究和生产引向探究用于建造高速和高阶调制器的MZM结构。提供n阶正交幅度调制(n-level quadrature-amplitude modulation，nQAM)等高阶调制的一种常见方法是采用多个MZM。另一种常见方法是将单个MZM分成一连串调制器分段。Daniel Kucharski等人的第7,450,787号美国专利案描述了分布式放大调制器，其中每个调制器分段具有一个电驱动器以获得高速调制，所述美国专利案以引入的方式并入本文本中。Daniel Kucharski等人的第7 7,515,775号美国专利案描述了采用分布式调制器驱动器的互补设备，所述美国专利案以引入的方式并入本文本中。Peter De Dobbelaere于2013年8月26日发表的“用于集成光IO与ASIC的硅光子技术平台(Silicon Photonics Technology Platform forIntegration of Optical IOs with ASICs)”描述了使用具有不同长度的多个光分段来改进性能的多电平调制方案，所述文献以引入的方式并入本文本中。发明名称为“用于可编程N阶正交幅度调制产生的数字光调制器(Digital Optical Modulator for ProgrammableN-Quadrature Amplitude Modulation Generation)”的第14/075,882号美国专利申请案描述了用于QAM的光技术，所述美国专利申请案以引入的方式并入本文本中。一些其它MZM通过驱动具有多电平电驱动器信号的MZM来提供高阶调制。例如，在MZM 100中，电极131由多电平模拟电驱动器信号驱动，并且电极132接地。然而，多电平模拟电驱动器信号的产生需要外部设备，例如数/模转换器(digital-to-analog converter，DAC)、衰减器和数字信号处理器(digital signal processor，DSP)，因此功耗可能高且占用面积可能大。
本文中公开的是在不采用DAC的情况下在单个MZI支路分段处提供多电平相移的实施例。与上文描述的方法相比，所公开的实施例以两个单独的数据流而不是单个数据流来驱动单个MZI支路分段，并且采用具有不同电压摆幅的一对CMOS驱动器来驱动所述MZI支路分段。例如，第一CMOS驱动器和第二CMOS驱动器分别耦合在MZI支路分段的电接面的负端子和正端子处。第一CMOS驱动器根据第一数据流产生第一二进制电压信号。第二CMOS驱动器根据第二数据流产生第二二进制电压信号。第一数据流和第二数据流不相关，但是比特转移经过同步。通过将适当的电压轨分配给CMOS驱动器并且在CMOS驱动器中的至少一个的输出处采用电平转换，能跨所述MZI支路分段产生多电平调制电压。因此，作为移相器操作的MZI支路分段根据多电平调制电压产生多电平相移。通过将两个单独的数据流同步地调制到光信号的相位上，输出数据速率是输入数据速率的两倍。采用电平转换还使CMOS驱动器能够通过如由设备击穿所限制的低输入电压驱动，但仍然产生高调制电压。所公开的实施例适用于在推挽式MZM中增加调制深度。所公开的实施例可以延伸为采用多个分段来提供更高输出数据速率或更高输出带宽。所公开的实施例与产生nQAM、n阶脉冲幅度调制(n-level pulse-amplitude modulation，nPAM)、DP-16QAM等高级调制格式的其它光技术兼容。所公开的实施例提供各种优势，例如在与上文描述的方法相比时光损失减小、功率消耗降低、占用面积更小且性能更高。
图2是根据本发明的实施例的以数字方式产生多电平相移的硅MZM 200的示意图。MZM 200包括分别经由光分路器220和光合路器250耦合在输入光波导210与输出光波导260之间的一对MZI支路230、240。光分路器220和光合路器250分别类似于光分路器120和光合路器150。实线箭头表示光信号传播的方向。一对电极231、232分别在负端子235和正端子236处连接到MZI支路230的电接面234，从而形成移相器233。类似地，一对电极241、242分别在负端子245和正端子246处连接到MZI支路240的电接面244，从而形成移相器243。
与MZM 100相比，对应于单独的数据流的数字电信号施加至MZI支路230和240中的每一个。另外，两个数字电信号用于产生不同电压摆幅，从而使它们表示具有不同意义的二进制数字，如下文较全面描述。因此，MZI支路230和240中的每一个产生包括四个不同电平的调相信号，每个电平表示一个二位的二进制数。
如图所示，表示为A和B的数字电信号分别在电极231和232处施加至MZI支路230。虚线箭头表示电信号流动方向。数字电信号A和B的补充信号分别在电极241和242处施加至另一个MZI支路240，所述补充信号表示为和数字电信号为A、B、和是二进制电压信号并且可以是单端信号或差动信号。取决于跨电接面的偏置电压的正负号，电接面可以在正向偏置或反向偏置下。为了获得高速调制，MZI支路230和240两者处的电接面均需要在反向偏置下操作。电平转换可以用于偏移电极231、232 241和242处的电压，如下文较全面描述。
通过将两个数据流同时且同步地调制到光载波信号上，MZM 200以所述数据流两倍的数据位速率产生调相光信号。例如，以位速率R对每个数据流计时，调相光信号包括波特率R和位速率2×R。同步指两个数据流包括同时的比特转移。例如，可以采用信号同步单元使数字电信号A和B的比特转移同步。在一些实施例中，MZI支路240可以通过信号C和信号D等具有不同电压摆幅的不同数字电信号驱动而不是通过和驱动，从而进一步增加位速率。
图3是根据本发明的实施例的调制器驱动器部分300的示意图。采用MZM驱动器部分300用于驱动MZM支路的单个分段，例如MZI支路230和240。MZM驱动器部分300包括分别在负端子321和正端子322处跨PN接面330耦合的一对CMOS驱动器310、320。PN接面330表示单个MZI支路处的电接面。PN接面330类似于电接面134、144、234和244。负端子321类似于负端子135、145、235和245。正端子322类似于正端子136、146、236和246。CMOS驱动器310用于接收第一数据流并根据第一数据流产生第一二进制电信号。CMOS驱动器320用于接收第二数据流并根据第二数据流产生第二二进制电信号。第一数据流和第二数据流不相关并且可以对应于单独的数据信道。通过将适当的电压轨分配给CMOS驱动器310和320，能在不采用DAC的情况下跨PN接面330产生多电平调制电压，如下文较全面描述。每个调制电压阶跃表示两个数据位，一个位来自第一数据流并且另一个位来自第二数据流。跨PN接面330施加调制电压会在行进通过PN接面330的光信号中诱发相移。例如，当第一数据流和第二数据流为25千兆比特(Gb)信号时，一次调制两个数据位以产生调制符号。因此，调制光信号包括25吉波特(GBd)的波特，但是50千兆比特每秒(Gbps)的数据位速率。
图4A到4D示出了用于在不具有DAC的情况下通过采用调制器驱动器部分300产生多电平调制电压的各种电压配置。X轴表示呈某些恒定时间单位的时隙。每个时隙对应于数据位的持续时间。Y轴表示以伏特单位的电压。图4A是示出根据本发明的实施例在调制器驱动器部分300的PN接面330处的端电压的图表410。波形411示出了负端子321处的端电压，其摆幅从1伏特(volt，V)到1.5V。例如，1V对应于第一数据流中的位值0并且1.5V对应于第一数据流中的位值1。波形412示出了正端子322处的端电压，其摆幅从0V到1V。例如，0V对应于第二数据流中的位值0并且1V对应于第二数据流中的位值1。
图4B是示出根据本发明的实施例由调制器驱动器部分300产生的调制电压的图表420。波形421示出了当负端子321和正端子322处的端电压分别如波形411和412中所示时跨PN接面330的调制电压。在波形421中，1.5V、1V、0.5V和0V的电压电平分别对应于二进制值10、00、11和01。因此，包括较高幅度的负端子321处的信号控制较高有效二进制数字，而包括较低幅度的正端子322处的信号控制较低有效二进制数字。
图4C是示出根据本发明的另一实施例在调制器驱动器部分300的PN接面330处的端电压的图表430。波形431和432分别表示在负端子321和正端子322处的端电压。波形431和432分别是波形411和412的补充。例如，波形411和412对应于跨MZM的MZI支路230等单个MZI支路分段施加的电压，而波形431和432对应于跨MZM的MZI支路240等相应互补MZI支路分段施加的电压。
图4D是示出根据本发明的另一实施例由调制器驱动器部分300产生的调制电压的图表440。波形441示出了当负端子321和正端子322处的端电压分别如波形431和432中所示时跨PN接面330的调制电压。例如，波形421对应于跨MZM的MZI支路230等单个MZI支路分段施加的调制电压，而波形441对应于跨MZM的MZI支路240等相应互补MZI支路分段施加的调制电压。
为了产生如图4A到4D中所示的端电压和调制电压，调制器驱动器部分300可以至少在负端子321和正端子322之一处采用电平转换。已知CMOS设备归因于击穿限制而依靠低操作电压提供高双态触变速率。因此，根据CMOS驱动器310和320的设备击穿电压，需要以低电压操作CMOS驱动器310和320。然而，更高调制电压能提供更好调制性能并且可以允许更短的MZI支路长度。通过采用电平转换，调制器驱动器部分300允许CMOS驱动器310和320以低输入电压操作，但仍产生高调制电压。举例来说，CMOS驱动器310和320可以包括接近1V的设备击穿电压。CMOS驱动器320可以用于以0V和1V的电压轨操作从而在正端子322处提供0V与1V之间的端电压。可以采用电平转换使CMOS驱动器310的输出电压移位从而在负端子322处提供1V与1.5V之间的端电压。因此，通过采用电平转换，跨PN接面330产生3伏特峰间值(Vpp)的调制电压。
此类调制电压产生机构可以提供高功率效率。每个摆幅的功耗与f×c×v2成正比，其中f是开关频率，c是电容且v是电压。使用衰减元件可以产生不同的电压摆幅，但是可能导致降低功率效率。
虽然波形421和441示出均等的调制电压阶跃，但是阶跃可以具有交错量。举例来说，可以使用0V、0.8V、1V和1.8V而不是0V、0.5V、1V和1.5V来提供3.6Vpp的调制电压。因此，可以根据MZM的设计选择调制电压阶跃从而提供调制线性。例如，当相移接近2个圆周率(π)弧度时，由MZM产生的16-QAM被认为包括非线性的正交响应。因此，可以选择调制电压阶跃来解释非线性，如下文较全面描述。在一些实施例中，可以另外采用堆叠晶体管和其它输入/输出(input/output，I/O)设备来进一步增加调制电压。
图5是根据本发明的实施例的电平转换500的示意图。电平转换500由调制器驱动器部分300用来通过低CMOS驱动器输入电压产生高调制电压。例如，电平转换500可以位于CMOS驱动器310的输出与PN接面330的负端子321之间或位于CMOS驱动器320的输出与正端子322之间。电平转换500包括耦合到增益元件520和反馈保持器元件530的隔直流(directcurrent，DC)电容器510。隔直电容器510将增益元件520和反馈保持器元件530与CMOS驱动器310和320等其它电路级隔离。增益元件520和保持器反馈元件530可以是任何放大器，例如基于CMOS逆变器的放大器。
图6是根据本发明的实施例由CMOS驱动器驱动的MZM 600的示意图。MZM 600类似于MZM 200并且采用调制器驱动器部分300来产生调制信号。MZM 600包括分别经由类似于光分路器120和220的光分路器620以及类似于光合路器150和250的光合路器650耦合在输入波导610与输出波导660之间的一对MZI支路630、640。MZI支路630和640类似于MZI支路130、140、230和240。输入波导610和输出波导660类似于输入波导110和210以及输出波导160和260。MZI支路630和640分别由调制器驱动器部分635和645驱动。调制器驱动器部分635和645类似于调制器驱动器部分300。调制器驱动器部分635包括跨MZI支路630的电接面633耦合的一对CMOS驱动器631、632。调制器驱动器部分645包括跨MZI支路640的电接面643耦合的一对CMOS驱动器641、642。CMOS驱动器631、632、641和642类似于CMOS驱动器310和320。CMOS驱动器631和632通过示出为Ch1_P和Ch2_P的两个单独的信道数据驱动。CMOS驱动器641和642通过示出为Ch1_N和Ch2_N的信道数据的反向数据或补充数据驱动。在Ch1_P、Ch1_N、Ch2_P和Ch2_N之间施加低电压差分输入时，可以通过充当限制放大器的CMOS逆变器均衡并增强调制信号。输入灵敏度可以低至每个信道50毫伏峰间值(mVpp)。
在操作中，输入波导610用于接收光信号。光分路器620将光信号分成两个部分，将第一部分耦合到MZI支路630，并将第二部分耦合到MZI支路640。调制器驱动器部分635根据信道数据Ch1_P和Ch2_P调制沿着MZI支路630传播的第一光信号部分的相位。调制器驱动器部分645根据信道数据Ch1_N和Ch2_N调制沿着MZI支路640传播的第二光信号部分的相位。光合路器650组合调制后的第一光信号部分和调制后的第二光信号部分以在输出波导660处产生调制光信号。MZM 600可以在CMOS驱动器631和641的每一个输出处采用电平转换500等电平转换，使得电接面633和643在反向偏置下，这可以提供更高速调制。
在实施例中，协同设计CMOS驱动器631、632、641和642以及MZI支路630和640，从而考虑光指数、光损耗、偏置电压长度乘积(Vpi-L)、电容和电阻等参数。对于具体光传输链路，CMOS驱动器631、632、641和642的电压摆幅和双态触变速率可以确定MZM 600的消光比(extinction ratio，ER)和数据速率等参数。
图7是根据本发明的实施例的分段式MZM 700的示意图。MZM 700基于MZM 600，向MZM 700的不同分段770串联添加多个数据流以产生较高输出数据速率。MZM 700包括类似于MZI支路130、140、230、240、630和640的一对MZI支路730、740。这对MZI支路730和740被分成多个分段770。每个分段770通过在MZI支路730处类似于调制器驱动器部分300、635和645的调制器驱动器部分735以及在MZI支路740处的另一个调制器驱动器部分745驱动。每个分段770中的调制器驱动器部分735通过不同对数据流驱动，示出为Ch1_P、Ch2_P、Ch3_P、Ch4_P、…、Chn-1_P、Chn_P。每个分段770中的调制器驱动器部分745通过相应对数据流的反向数据流驱动，示出为Ch1_N、Ch2_N、Ch3_N、Ch4_N、…、Chn-1_N、Chn_N。由于分段770位于MZI支路730和740的不同长度处，因此不同分段770产生不同量的相移。在操作中，每个分段770将R数据位速率下的一对数据流合并成具有波特率R和数据位速率2R的单个光流。在MZM 700的输出处累计所有分段770的调制效果，其中每个调制符号表示具有多个二进制数字的二进制数。例如，相比通过位于距MZI支路730和740的输入处更远的分段770调制的数据流，通过位于距MZI支路730和740的输入处更近的分段770调制的数据流可以对应于更低有效性的二进制数字。
图8是根据本发明的实施例的具有分布式调制器驱动器配置的MZM 800的示意图。MZM 800基于MZM 600，并采用分布式调制器驱动器配置来增加带宽。MZM 800包括类似于MZI支路130、140、230、240、630、640、730和740的一对MZI支路830、840。这对MZI支路830和840被分成多个分段870。每个分段870通过在MZI支路830处类似于调制器驱动器部分300、635、645、735和745的调制器驱动器部分835以及在MZI支路840处的另一个调制器驱动器部分845驱动。调制器驱动器部分835通过示出为Ch1_P和Ch2_P的具有各种延迟的一对数据流驱动，并且调制器驱动器部分845通过示出为Ch1_N和Ch2_N的具有各种相应延迟的数据流的反向数据流驱动。在操作中，通过连续的调制器驱动器部分835调制传播通过MZI支路830的光信号，并且通过连续的调制器驱动器部分845调制传播通过MZI支路840的光信号。
图9是根据本发明的实施例的DP-16QAM光调制器900的示意图。调制器900基于MZM600，并采用嵌套MZM配置提供DP-16QAM。调制器900包括分别经由偏振分束器(polarization beam splitter，PBS)920和偏振合束器(polarization beam combiner，PBC)950耦合在输入波导910与输出波导960之间的一对MZI支路901、902。MZI支路901和902类似于MZI支路130、140、230、240、630、640、730和740。输入波导910和输出波导960类似于输入波导110、210、610、710和810以及输出波导160、260、660、760和860。PBS 920是用于将光信号分成X偏振和Y偏振的光学设备或组件，其中X偏振和Y偏振彼此正交。PBC 950是用于将X-偏振分量和Y-偏振分量合并成单个光信号的光学设备或组件。MZI支路901包括IQ调制器930。MZI支路902包括IQ调制器940。IQ调制器930和940中的每一个包括类似于MZI支路130、140、230、240、630、640、730和740的一对MZI支路903、904，其经由类似于光分路器120和220的光分路器925以及类似于光合路器150和250的光合路器955耦合。MZI支路903包括MZM 905。MZI支路904包括MZM 906和移相器907。MZM 905和906类似于MZM 600。MZM 905和906中的每一个用于通过采用调制器驱动器部分300、635、645、735、745、835和845等调制器驱动器部分调制两个单独的数据流。
在操作中，输入波导910用于接收输入光信号。PBS 920将光信号分成X-偏振分量和Y-偏振分量。PBS 920将X-偏振分量耦合到MZI支路901并将Y-偏振分量耦合到MZI支路902。X-偏振分量通过IQ调制器930调制，并且Y-偏振分量通过IQ调制器940调制。
在IQ调制器930和940中的每一个处，光分路器925将可以是X-偏振分量或Y-偏振分量的输入光信号分成两个部分，将第一部分耦合到MZI支路903并将第二部分耦合到MZI支路904。MZM 905将一对数据流调制到第一光信号部分的相位上以产生具有四个不同电平的I分量。MZM 906将另一对数据流调制到第二光信号部分的相位上以产生具有四个不同电平的调制光信号。移相器943对通过MZM 906输出的调制光信号应用π/2弧度的额外光相移。因此，移相器907产生具有四个不同电平的Q分量。在用于X偏振的IQ调制器930中，I分量和Q分量分别表示为XI和XQ。在用于Y偏振的IQ调制器940中，I分量和Q分量分别表示为YI和YQ。光合路器955合并每个偏振中的I分量和Q分量以产生16QAM信号。通过PBC 950合并示出为X的X-偏振分量和示出为Y的Y-偏振分量以产生双偏振调制光信号。如图所示，调制器900在不采用任何DAC、线性驱动器或其它外部设备的情况下产生DP-16QAM。因此，所公开的实施例能减少功耗、成本、大小和光损耗。
图10A到10C示出了由调制器900产生的星座。X轴表示I分量，Y轴表示Q分量。图10A是根据本发明的实施例由IQ调制器920和930产生的I分量的星座图1010。例如，I分量对应于图9中的I分量XI和YI。图10B是根据本发明的另一实施例由IQ调制器920和930产生的Q分量的星座图1020。例如，Q分量对应于图9中的Q分量XQ和YQ。图10C是根据本发明的实施例由IQ调制器920和930产生的输出信号的星座图1030。例如，输出对应于图9中的X-偏振分量X和Y-偏振分量Y。
图11是示出根据本发明的实施例的在MZI支路230、340、630、640、730、740、830、840、901、902、903和904等MZI支路分段处的强度和E场的图表1100。X轴表示以V为单位的电压。曲线1110示出了取决于电压的呈某些恒定单位的光强度。曲线1120示出了取决于电压的呈某些恒定单位的E场。线1130示出通过调制器驱动器部分300、635、645、735、745、835和845等调制器驱动器部分产生的四个不同的电压电平。四个不同的电压电平摆幅越过2π的完全相移，其中每个电压电平对应于特定相移。如图所示，四个电压电平不均匀地间隔开。选择不均匀的电压阶跃以提供高调制线性或更好的星座间隔和高强度。因此，所公开的实施例可以用于克服典型MZM产生的16QAM中的非线性。
图12是示出根据本发明的实施例的解调光信号的眼图1200的图表1200。经由MZM200、600、700、800和900等MZM通过采用如图表1100中所示的不均匀的调制电压阶跃产生光信号。X轴表示呈某些恒定单位的时间。Y轴表示呈某些恒定单位的光功率。在解调光信号之后产生眼图1210。眼图1210包括均匀地成型的光眼。因此，根据MZM的设计恰当地分配电压能获得均匀地成型的光眼并提高性能。
图13是根据本发明的实施例的产生多电平相移信号的方法1300的流程图。方法1300通过MZM 200、600、700、800和900等MZM实施。当针对光传输调制数据信息时实施方法1300。在步骤1310，根据第一数据产生第一数字电信号。在步骤1320，根据第二数据产生第二数字电信号。例如，第一电信号和第二电信号各自通过电驱动器产生，例如CMOS驱动器310、320、631、632、641和642。第一电信号和第二电信号可以是包括不同电压摆幅的二进制电压信号。例如，第一电信号可以包括类似于波形411的波形，并且第二电信号可以包括类似于波形412的波形。第一数据和第二数据是不相关的数据。例如，第一数据和第二数据可以来自不同数据流。
在步骤1330，通过类似于电平转换500的电压电平转换使至少第一数字电信号的电压电平移位。在步骤1340，跨第一光波导支路的第一电接面施加第一电信号和第二电信号，如调制器驱动器部分300和MZM 600中所示。例如，可以使第一数字电信号的电压电平移位以跨第一电接面提供具有交错电压阶跃的电压差，如波形421中所示。在步骤1350，根据第一电信号与第二数字电信号之间的电压差调制沿着第一光波导支路传播的第一光信号的相位从而产生包括至少四个电平的第一多电平调相信号。例如，第一多电平调相信号可以包括类似于星座图1010的星座。
图14是根据本发明的实施例的产生具有增大的调制深度的多电平相移信号的方法1400的流程图。通过MZM 200、600、700、800和900等MZM实施方法1400。结合方法1300实施方法1400。在步骤1410，根据第一数据的反向数据产生第三数字电信号。第三数字电信号和第一数字电信号包括相反极性。在步骤1420，根据第二数据的反向数据产生第四数字电信号。第四数字电信号和第二数字电信号包括相反极性。在步骤1430，根据第三电信号与第四数字电信号之间的电压差调制沿着第二光波导支路传播的第二光信号的相位从而产生第二多电平调相信号。例如，第一光波导支路和第二波导支路以类似于MZM 600中示出的MZI支路630和640的配置彼此并联定位。在步骤1440，合并第一多电平调相信号和第二多电平调相信号以产生PAM-4信号。通过以相反极性的电压偏置第一光波导支路和第二光波导支路，PAM-4信号可以包括更大调制深度。
图15是根据本发明的实施例的产生具有增大的输出数据速率的多电平相移信号的方法1500的流程图。通过MZM 700等MZM实施方法1500。结合方法1300实施方法1500。在步骤1510，根据第三数据产生第三数字电信号。在步骤1520，根据第四数据产生第四数字电信号。第一数据、第二数据、第三数据和第四数据是不同的数据。在步骤1530，跨第一光波导支路的第二电接面施加第三电信号和第四电信号。例如，第一光波导支路可以包括分段770等多个分段，其中第一电接面在第一分段处并且第二电接面在第二分段处。在步骤1540，根据第三电信号与第四数字电信号之间的电压差进一步调制第一光信号的相位。在第一光信号沿着第一光波导支路传播时累计由第一数据、第二数据、第三数据和第四数据产生的调制效果从而产生较高的总输出数据速率。
图16是根据本发明的实施例的产生具有增大的输出带宽的多电平相移信号的方法1600的流程图。通过MZM 800等MZM实施方法1600。结合方法1300实施方法1600。在步骤1610，根据延迟之后的第一数据产生第三数字电信号。在步骤1620，根据延迟之后的第二数据产生第四数字电信号。在步骤1630，跨第一光波导支路的第二电接面施加第三电信号和第四电信号。例如，第一光波导支路可以包括分段870等多个分段，其中第一电接面在第一分段处并且第二电接面在第二分段处。在步骤1640，根据第三电信号与第四数字电信号之间的电压差进一步调制第一光信号的相位。
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：
第一电驱动器，其用于根据第一数据产生第一二进制电压信号；
第二电驱动器，其用于根据第二数据产生第二二进制电压信号，其中所述第一数据和所述第二数据不同；以及
第一光波导支路，其耦合到所述第一电驱动器和所述第二电驱动器，
其中所述第一光波导支路用于根据所述第一二进制电压信号与所述第二二进制电压信号之间的第一电压差使沿着所述第一光波导支路传播的第一光信号的第一相位移位从而产生第一多电平相移光信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一电驱动器进一步用于提供所述第一二进制电压信号的第一电压摆幅，其中所述第二电驱动器进一步用于提供所述第二二进制电压信号的第二电压摆幅，其中所述第一电压摆幅不同于所述第二电压摆幅，并且其中所述第一多电平相移光信号包括至少四个信号电平。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，进一步包括电平转换，其耦合到所述第一电驱动器并用于使所述第一二进制电压信号的电压电平移位，使得所述第一电压差包括至少四个电压阶跃。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一电驱动器和所述第二电驱动器是互补型金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)驱动器。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一二进制电压信号和所述第二二进制电压信号包括同步的比特转移。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光波导支路包括沿着光程的多个分段，其中所述第一电驱动器和所述第二电驱动器位于所述多个分段的第一分段，其中所述装置进一步包括：
第三电驱动器，其在所述多个分段的第二分段处耦合到所述第一光波导支路，其中所述第三电驱动器用于根据第三数据产生第三二进制电压信号；以及
第四电驱动器，其在所述第二分段处耦合到所述第一光波导支路，其中所述第四电驱动器用于根据第四数据产生第四二进制电压信号，
其中所述第一数据、所述第二数据、所述第三数据以及所述第四数据不同，并且
其中所述第一光波导支路进一步用于根据所述第三二进制电压信号与所述第四二进制电压信号之间的第二电压差使所述第一相位移位。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光波导支路包括沿着光程的多个分段，其中所述第一电驱动器和所述第二电驱动器位于所述多个分段的第一分段，其中所述装置进一步包括：
第三电驱动器，其在所述多个分段的第二分段处耦合到所述第一光波导支路，其中所述第三电驱动器用于根据延迟之后的所述第一数据产生第三二进制电压信号；以及
第四电驱动器，其在所述第二分段处耦合到所述第一光波导支路，其中所述第四电驱动器用于根据所述延迟之后的所述第二数据产生第四二进制电压信号，并且
其中所述第一光波导支路进一步用于根据所述第三二进制电压信号与所述第四二进制电压信号之间的第二电压差使所述第一相位移位。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括第一马赫曾德尔调制器(Mach-Zehnder modulator，MZM)，其中所述第一电驱动器、所述第二电驱动器以及所述第一光波导支路是所述第一MZM的部分。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一MZM进一步包括：
第一光分路器，其耦合到所述第一光波导支路并用于将第三光信号分成所述第一光信号和第二光信号；
第二光波导支路，其耦合到所述第一光分路器，并用于根据所述第一数据的反向数据和所述第二数据的反向数据使所述第二光信号的第二相位移位从而产生第二多电平相移光信号；以及
第一光合路器，其耦合到所述第一光波导支路和所述第二光波导支路，并用于组合所述第一多电平相移光信号和所述第二多电平相移光信号以产生包括至少四个电平的第一脉冲幅度调制(pulse-amplitude modulation，PAM)信号。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，进一步包括同相正交相(in-phasequadrature-phase，IQ)调制器，其中所述第一MZM是所述IQ调制器的部分，并且其中所述第一PAM信号对应于同相(in-phase，I)分量。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述IQ调制器进一步包括：
第二光分路器，其耦合到所述第一MZM并用于将第四光信号分成所述第三光信号和第五光信号；
第二MZM，其耦合到所述第二光分路器，其中所述第二MZM用于根据第三数据和第四数据调制所述第五光信号以产生第二PAM光信号；
移相器，其耦合到所述第二MZM并用于将所述第二PAM光信号的相位移位圆周率(π)/2弧度从而产生正交相(quadrature-phase，Q)分量；以及
第二光合路器，其耦合到所述第一MZM和所述移相器，其中所述第二光合路器用于组合所述I分量和所述Q分量从而产生第一16阶正交幅度调制(16quadrature-amplitudemodulation，16QAM)信号。
12.一种方法，其特征在于，包括：
根据第一数据产生第一数字电信号；
根据第二数据产生第二数字电信号，其中所述第一数据和所述第二数据是不同的数据；以及
根据所述第一电信号与所述第二数字电信号之间的第一电压差调制沿着第一光波导支路传播的第一光信号的第一相位从而产生包括至少四个电平的第一多电平调相信号。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括使至少所述第一数字电信号的电压电平移位，使得所述第一电压差包括交错的电压阶跃。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括：
跨所述第一光波导支路的第一电接面应用所述第一电信号和所述第二电信号；
根据第三数据产生第三数字电信号；
根据第四数据产生第四数字电信号；
跨所述第一光波导支路的第二电接面应用所述第三电信号和所述第四电信号；以及
进一步根据所述第三电信号与所述第四数字电信号之间的第二电压差调制所述第一相位，
其中所述第一数据、所述第二数据、所述第三数据以及所述第四数据是不同的数据。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括：
跨所述第一光波导支路的第一电接面应用所述第一电信号和所述第二电信号；
根据延迟之后的所述第一数据产生第三数字电信号；
根据所述延迟之后的第二数据产生第四数字电信号；
跨所述第一光波导支路的第二电接面应用所述第三电信号和所述第四电信号；以及
进一步根据所述第三电信号与所述第四数字电信号之间的第二电压差调制所述第一光信号的所述第一相位。
16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括：
根据所述第一数据的反向数据产生第三数字电信号；
根据所述第四数据的反向数据产生第四数字电信号；
根据所述第三电信号与所述第四数字电信号之间的第二电压差调制沿着第二光波导支路传播的第二光信号的第二相位从而产生第二多电平调相信号；以及
组合所述第一多电平调相信号和所述第二多电平调相信号以产生四阶脉冲幅度调制(four-level pulse-amplitude modulation，PAM-4)信号。
17.一种装置，其特征在于，包括：
马赫曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)支路，其包括电接面，其中所述电接面包括第一端子和第二端子；
第一互补型金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)驱动器，其耦合到所述第一端子并用于提供第一输出电压摆幅；以及
第二CMOS驱动器，其耦合到所述第二端子并用于提供第二输出电压摆幅，
其中所述第一输出电压摆幅和所述第二输出电压摆幅不同，并且
其中跨所述第一端子和所述第二端子的电压差包括至少四个电压阶跃。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述第一输出电压摆幅在第一电压电平与第二电压电平之间，其中所述装置进一步包括位于所述第一CMOS驱动器与所述第一端子之间的电压电平移位元件，并且其中所述电压电平移位元件用于使所述第一电压电平和所述第二电压电平移位到更高电压电平。
19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述第一端子对应于所述电接面的负端子，并且所述第二端子对应于所述电接面的正端子，使得所述电接面配置成具有反向偏置。
20.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述第一CMOS驱动器进一步用于接收大于所述第一CMOS驱动器的第一击穿电压的第一输入电压，其中所述第二CMOS驱动器进一步用于接收大于所述第二CMOS驱动器的第二击穿电压的第二输入电压，并且其中所述电压差大于所述第一输入电压和所述第二输入电压。
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