CN107615139B - 偏振无关反射式调制器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种装置和一种方法。所述装置(100)包括：光输入端(147)，用于接收光载波(141)；偏振分束器(155)，用于沿第一光路(156)转发所述光载波(141)的第一偏振分量，沿第二光路(158)转发所述光载波(141)的第二偏振分量；以及光调制器(159)。所述第一偏振分量包括第一偏振(TE)，在离开光分路器(155)时所述第一偏振(TE)垂直于所述第二偏振分量的第二偏振(TM)。所述光调制器(159)耦合到所述第一光路(156)和所述第二光路(158)，并用于对所述光载波的所述第一偏振分量和所述光载波的所述第二偏振分量进行调制。

Description

偏振无关反射式调制器
相关申请案交叉申请
本申请要求2016年4月22日递交的发明名称为“偏振无关反射式调制器(Polarization independent reflective modulator)”的第15/136,396号美国非临时专利申请案的在先申请优先权，其又要求2015年5月15日由Yangjing Wen等人递交的发明名称为“偏振无关反射式调制器(Polarization Independent Reflective Modulator)”的第62/162,161号美国临时专利申请案的在先申请优先权，其全部内容以引用的方式并入本文本中。
背景技术
在光接入网络中，已将载波分配视为一种有发展前景的方案来实现上行信号的低成本光源。在载波分配方案中，光载波信号从位于中心局中的光源传送到远程设备。然后，远程设备将上行数据调制到接收到的光载波信号上，并将调制载波信号发回中心局。然而，当前在这类系统中采用的调制器对温度敏感或者为避免过热仅以相对低的速度进行操作。因此，如果远程设备未冷却，因而暴露于超过85摄氏度(degrees Celsius，℃)的温度下和/或如果应用需要高速操作，则载波分配不可行。在这种情况下，传统调制器无法正确地对可用上行信号进行调制。
发明内容
在一项实施例中，本发明包括一种装置，所述装置包括：光输入端，用于接收光载波；偏振分束器，其光耦合到所述光输入端、第一光路和第二光路，其中，所述偏振分束器用于沿所述第一光路转发所述光载波的第一偏振分量，以及沿所述第二光路转发所述光载波的第二偏振分量，所述第一偏振分量包括第一偏振，在离开所述偏振分束器时所述第一偏振垂直于所述第二偏振分量的第二偏振；以及光调制器，其近端耦合到所述第一光路，远端耦合到所述第二光路，其中，所述光调制器用于对所述光载波的所述第一偏振分量和所述光载波的所述第二偏振分量进行调制。
在另一项实施例中，本发明包括一种装置，所述装置包括：光端口，用于从远程设备接收光载波；偏振无关反射式调制器(polarization independent reflectivemodulator，PIRM)，其耦合到所述光端口，其中，所述PIRM用于：从所述光端口接收所述光载波；将所述光载波分解为第一偏振分量和第二偏振分量，使得所述第一偏振分量的第一偏振垂直于所述第二偏振分量的第二偏振；将电信号调制到所述第一偏振分量和所述第二偏振分量上；以及合并所述调制后的第一偏振分量与所述调制后的第二偏振分量以产生合并调制信号。
在又一项实施例中，本发明包括一种方法，所述方法包括：通过光输入端口从远程设备接收光载波；将所述光载波分解为第一偏振分量和第二偏振分量，使得所述第一偏振分量的第一偏振垂直于所述第二偏振分量的第二偏振；将电信号调制到所述第一偏振分量和所述第二偏振分量上；以及合并所述调制后的第一偏振分量与所述调制后的第二偏振分量以产生合并调制信号。
结合附图和权利要求书可以从下文的详细描述中更清楚地理解这些和其它特征。
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是偏振无关反射式调制器(polarization independent reflectivemodulator，PIRM)的一实施例的示意图。
图2是用于使用PIRM的云无线接入网(cloud radio access network，CRAN)的一实施例的示意图。
图3是用于通过多个PIRM使用波分复用的CRAN的一实施例的示意图。
图4是用于使用PIRM的数据中心网络的一实施例的示意图。
图5是基于硅波导的PIRM的一实施例的示意图。
图6A是基于外部偏振分束器耦合器(external polarization beam splittercoupler，EPSBC)的PIRM的一实施例的顶视图。
图6B是基于EPSBC的PIRM的所述实施例的截面视图。
图7是基于光栅耦合器的PIRM的一实施例的示意图。
图8是在使用PIRM的CRAN中使用的基带单元(baseband unit，BBU)的一实施例的示意图。
图9是在使用PIRM的CRAN中使用的BBU的另一实施例的示意图。
图10是用于在使用PIRM的网络中操作的网元(Network Element，NE)的一实施例的示意图。
图11是基于PIRM的调制方法的一实施例的流程图。
图12是PIRM的一实施例的功率损耗对调制器位置偏离容差的图。
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。
在云无线接入网(cloud radio access network，CRAN)中，流量速率需求可能需要在射频拉远单元(remote radio unit，RRU)与基带单元(baseband unit，BBU)之间使用光纤连接。在这一网络中，可在通过通用公共无线接口(common public radio interface，CPRI)连接到射频单元的铁塔处放置光转发器。在这种环境中，转发器可能承受着超过85℃的高温。在这种高温下，非制冷激光器可能不会正确地操作和/或可能不会提供足够的功率预算，尤其是在例如大于或等于25吉比特每秒(gigabits per second，Gbps)的高速调制速率的情况下。使用热电冷却(thermoelectric cooling，TEC)的冷却激光器会明显增加功耗。因此，需要去除RRU站点处的激光器，从BBU传送光载波，以及通过光调制器来调制RRU处的数据。然而，能够在未冷却环境下操作的光调制器(例如马赫-曾德尔调制器)依赖于传入光载波的偏振方向，该偏振方向在光纤传输之后随机变化并且难以跟踪。
本文公开了偏振无关反射式调制器(polarization independent reflectivemodulator，PIRM)的实施例。PIRM可在高温环境中操作，并且消除了来自光纤等光学介质的光载波的偏振依赖性。PIRM使用偏振分束器/合束器将传入光载波分解为两个垂直的偏振分量，在本文中有时称为横电(transverse electric，TE)分量和横磁(transversemagnetic，TM)分量，并沿不同的光路转发各个偏振分量。然后，将偏振分量之一旋转到与另一分量平行。例如，旋转TM分量，从而产生第二TE分量。在旋转之后，这两个偏振分量共享同一偏振，这允许偏振敏感调制器对这两个分量进行操作。这两个分量被输入到来自对端的光调制器中以基本同时进行调制。然后，这两个调制分量互换光路并返回到偏置分束器/合束器以便合并为完整的调制信号。多个PIRM可耦合到一个复用器，以允许各个PIRM在不同的波长(λ)上操作，从而允许PIRM支持波分复用。在CRAN网络中，PIRM位于一个或多个RRU中，每个PIRM对应一个包含光源(例如激光器)的BBU。在数据中心网络中，PIRM可位于服务器机架中，例如，位于服务器中或架顶(top of rack，ToR)元件中。PIRM还可位于列末(endof row，EOR)交换机中，这允许单个光源/激光器为多个隔断行提供载波。
图1是偏振无关反射式调制器(polarization independent reflectivemodulator，PIRM)100的一实施例的示意图。PIRM 100包括通过光路156和光路158耦合到调制器159的偏振分束器(polarization beam splitter，PBS)155，在本文中有时通常称为第一/第二光路。反射器151、152和153沿光路156和158放置以控制通过光路156和158的光的方向。PIRM 100还包括光输入端147，用于通过光纤等光学介质接收光载波141并发送上行信号143。
PBS 155可以是任何用于将光载波分解为两个偏振光束并分别沿光路158(顺时针方向)和156(逆时针(counter-clockwise，CCW)方向)输出偏振光束的设备。PBS 155的特定示例在下文各实施例中进一步论述。PBS 155通过光输入端147接收光载波141，光输入端147可以是端口、光波导，等等。光载波141可从包括连续波长激光器或类似光源的远程装置接收。光载波141可在离开远程设备时被线性偏振，但是在向PIRM传输期间可变为椭圆偏振。例如，光载波可包括单个光分量，例如TE偏振，但是光载波的几个部分在穿过光纤时可旋转到TM偏振。PBS 155通过光路156发送所接收的包括TE偏振部分的光载波141的光束。PBS 155通过光路158发送所接收的包括TM偏振部分的光载波141的光束。当光束离开PBS155时，顺时针方向的光包含光载波的任何部分，其中该光载波包括垂直于CCW方向的光束的偏振。
光路156和158可包括任何具有适合传送光信号的折射率的介质，例如光波导、玻璃、空气，等等。偏振旋转器(polarization rotator，PR)157沿光路158放置。PR 157可以是任何用于将偏振光束的偏振旋转一个指定角度的设备，例如法拉第旋转器或模变换器。具体而言，PR 157旋转顺时针方向的光束的偏振，使得该光束变为与CCW方向的光束平行偏振(例如，90度旋转)。换言之，PR 157将顺时针方向的光束的TM偏振转变为TE偏振，使得两个方向的光包括相同的偏振。在图1所示的示例实施例中，PIRM 100包括反射器151、152和153。反射器151至153可以是折射率足以改变沿着光路156和158的顺时针和CCW方向的光束的方向的任何材料/设备，如图所示。
调制器159可以是任何能够将电信号调制到光载波上的设备。具体而言，调制器159是高速集总调制器，该高速集总调制器中的调制器有效长度可以小于2毫米(millimeter，mm)。调制器159可实施为任何基于硅波导的调制器、单个集总调制器、马赫-曾德尔调制器(Mach-Zehnder modulator，MZM)、同相正交(Inphase Quadrature，IQ)调制器、电吸收调制器、基于微环谐振器的调制器，等等。调制器159包括分别耦合到光路156和光路158的近端和远端。调制器159用于在近端接收CCW方向的光束，在远端接收顺时针方向的光束。由于两个方向的光束都通过调制器159，所以调制器159基本同时将电信号调制到两个光束上。调制器159可选为对温度不敏感且对偏置敏感。然而，由于PR 157已将TM分量旋转到TE偏振，所以两个光束共享同一偏振。因此，尽管光束从相反方向接收，但调制器159仍可以对这两个光束进行调制。为了确保光载波141的相同部分基本同时由调制器159进行调制(例如，无信号偏差)，光路156和158的长度应大概相同，从而将调制器159放置于光电路的中心。在不对调制产生明显影响的情况下，调制器159的位置可以稍有变化(例如0.5皮秒(picosecond，ps)、1ps，等等)，如下文图12所示。
调制光束从对端离开调制器159，使得CCW方向的调制光束离开远端且顺时针方向的调制光束离开近端。顺时针方向的调制光束通过光路156顺时针环绕光电路继续，CCW方向的调制光束通过光路158逆时针环绕光电路继续。两个方向的调制光束都被收回到PBS155处且合并为合并调制光信号143，该合并调制光信号随后通过传输光载波141的相同光纤向上游发送。
通过使用PIRM 100的光电路，消除了传入光载波的偏振依赖性。因此，PIRM 100允许激光器/光源移动到远程装置，同时允许对温度不敏感的调制器在高温环境下进行调制。此外，应注意，出于论述目的，本文使用第一分量、第二分量、TM和TE作为标签，但是在一些实施例中，在不影响PIRM 100的操作的情况下可进行替换。此外，PR 157也可放置于光路156中，其中PBS 155TM偏振输出端连接到光路156，但在从PIRM输出的合并调制信号143中没有变化。
应注意，调制器159可以设计为位于同时包括光路156和光路158的光路的中间。实际建造可以有一些容差。假设传入光载波141具有相对于PBS 155的TE偏振的旋转角度θ，则PIRM的输出光场可以表示为：
Figure GDA0002491681380000041
其中，Eout是PIRM 100输出光场，作为时间(t)的函数，Ein是PIRM 100输入光场的幅度，f(t)是调制数据随时间推移的调制波形函数，T是PIRM 100光路(例如光路156加上光路158)的时延，δ是调制器159离光路中心的位置偏差，
Figure GDA0002491681380000042
和
Figure GDA0002491681380000043
分别是TE和TM偏振的单位向量，且
Figure GDA0002491681380000044
总输出功率表示为：
Figure GDA0002491681380000045
其中，Pout是PIRM 100的总输出功率，作为时间的函数，所有其它变量如等式1所定义。
如果调制器离光路中心的位置偏差δ为0，则PIRM 100的输出功率为：
Figure GDA0002491681380000046
其中，所有变量都如等式1至2所定义。等式3显示PIRM 100的总输出与传入光载波的偏振态无关。
图2是用于使用PIRM 221的云无线接入网(cloud radio access network，CRAN)200的一实施例的示意图，PIRM 221可以类似于PIRM 100或本文公开的任何其它PIRM实施例。CRAN 200包括一池BBU，每个BBU包括一个BBU收发器(Tx/Rx)211。每个BBU Tx/Rx211通过一个或多个光纤等耦合到对应的RRU 220。每个RRU 220包括无线Tx/Rx 225、PIRM221和下行接收器(Rx)223。每个RRU 220经由长期演进(Long Term Evolution，LTE)接口、高级LTE接口等无线接口通过无线Tx/Rx 225与移动节点(mobile node，MN)通信。每个BBU Tx/Rx 211向对应的下行Rx 223发送光下行信号245以传输到对应的MN。下行信号245被转变为电下行数据235并通过无线Tx/Rx 225发送到MN。MN通过无线Tx/Rx 225发送对应的链路数据233。RRU 220不包括光源(例如激光器、发光二极管(Light Emitting Diode，LED)，等等)。BBU Tx/Rx 211将光上行载波241向下游发送给RRU 220。RRU 220使用PIRM221将来自MN的上行数据233调制到上行载波241上以产生光上行信号243。然后，经由光纤，例如通过与上行载波241相同的光纤，将上行信号243返回给BBU Tx/Rx 211。然后可以在BBU Tx/Rx211处将上行信号243与上行载波241分隔。
BBU池是例如放置于无线基站、机房等中的BBU的任何分组，用于处理基带信号。每个BBU可包括一个或多个BBU Tx/Rx 211，每个BBU Tx/Rx 211负责与对应的RRU 220通信。BBU Tx/Rx 211各自包括一个或多个光源，例如连续波激光器。光源向RRU 220发送偏振光载波。BBU Tx/Rx 211各自包括调制器，用于将下行信号245调制到下行光源提供的下行光载波上。BBU Tx/Rx 211各自还包括用于接收上行信号的接收器以及用于将上行信号243与通过光纤发送的上行载波241(由上行光源提供)分隔的光分路器/光合路器或光循环器。还可对BBU使用PIRM以消除光载波的偏振依赖性。
BBU池可如图所示按星形拓扑排列，使得CRAN 200包括一个BBU池和多个RRU 220。基于星形拓扑的CRAN 200可以扩展为具有树形拓扑或其它架构的CRAN 200。树形拓扑可节省光纤长度，但是可能由于光链路中引入了分功器而造成信号丢失。
RRU 220各自包括一个无线Tx/Rx 225，无线Tx/Rx 225可以是任何用于通过LTE、高级LTE或其它无线系统与MN进行无线通信的天线或天线阵列。RRU 220各自还包括一个耦合到无线Tx/Rx 225的下行Rx 223。下行Rx 223可以是任何用于检测通过光纤接收的光信号的光接收器，例如正—负(Positive-Negative，P-N)接面、光电二极管或类似结构。RRU220各自还可包括处理器、存储器、缓存等，以控制无线Tx/Rx 225并使来自下行Rx 223的下行数据235在指定时间在指定的无线频带上发送。RRU 220不包括光源，因此上行载波241由BBU Tx/Rx 211提供。PIRM 221将来自无线Tx/Rx 225的上行数据233调制到上行载波241上以产生上行信号243，上行信号243被返回给BBU Tx/Rx 211。BBU Tx/Rx 211与RRU 220之间的光纤长度的范围可以为几十米到几十公里，导致在通过光纤时上行载波的偏振发生明显的随机变化。然而，PIRM 221消除了偏振依赖性并对上行载波241进行调制，无论温度是多少。通过使用PIRM 221，RRU 220可以位于未冷却环境中的铁塔上。此外，RRU 220的制造可以更便宜，因为无需激光器或类似光源。
图3是用于通过多个PIRM 321使用波分复用的CRAN 300的一实施例的示意图，PIRM321可基本上类似于PIRM 100或本文公开的任何其它PIRM实施例。CRAN 300包括BBU311和RRU 320，它们可基本上分别类似于BBU Tx/Rxs 211和RRU 220，但用于通过波分复用(wavelength division multiplexing，WDM)进行通信。
BBU 311包括所需数量(N)的连续波长(continuous wavelength，CW)激光器313。每个CW激光器313是一个光源并发送包括波长(λ)的上行载波341，从而产生波长为λ1至λN的上行载波341。BBU 311还包括光复用器(multiplexer，Mux)314，其可以是任何能够将不同波长的多个光载波/信号合并到单个光纤中和/或能够根据波长将来自单个光纤的多个波长分解为多个光纤的设备。Mux 314用于将波长为λ1至λN的上行载波341复用到单个光纤中以传输给RRU 320。
RRU 320包括Mux 327，Mux 327基本上类似于Mux 314并用于基于波长将复用载波341λ1至λN分隔到不同的端口。RRU 320还包括耦合到Mux 327的N个PIRM 321。每个PIRM321基本上类似于PIRM 221，但被分配给一个特定波长。因此，RRU 320接收N个上行数据333信号，这些信号基本上类似于上行数据233信号。每个上行数据333信号被调制到对应的PIRM321处的指定上行载波341λ，从而产生上行信号343λ1至λN。Mux 327将上行信号343合并到单个上行端口中以通过光纤传输回BBU 311。
BBU 311还包括耦合到Mux 314的光耦合器(optical coupler，OC)318。OC 318可以是任何能够通过单个光纤将朝着下游方向的上行载波341与朝着上游方向的上行信号343分隔/合并的设备。例如，OC 318可以是光耦合器、光循环器或其它分光/合光设备。OC318还耦合到Mux 316。OC 318向RRU 320转发来自Mux 314的合并上行载波341，并向Mux316转发来自RRU 320的合并上行信号343。Mux 316基本上类似于Mux 314，用于在将各个上行信号343转发给对应的上行Rx 315之前将合并上行信号343分解为单独的信号。每个上行Rx 315基本上类似于下行Rx 223，但用于接收和解释对应波长的对应上行信号343。因此，使用N个上行Rx 315来接收上行信号343λ1至λN。
应注意，在OC 318与Mux 316之间或者在OC 318与传输光纤之间可放置光放大器。光放大器的示例包括但不限于半导体光放大器(semiconductor optical amplifier，SOA)、反射式SOA(reflective-type SOA，RSOA)和掺铒光纤放大器(erbium doped fiberamplifier，EDFA)。此外，波分复用可使用不同的形式，例如粗WDM、局域网(local areanetwork，LAN)-WDM或密集WDM，并且可在O波段、C波段和L波段光波段等不同的波段处操作。此外，应注意，为清晰起见，图3中仅示出上行信道。但是可使用与上行信道类似的方式来配置下行信道(例如，BBU 311中有N个下行激光器和一个Mux，RRU 320处有对应的Mux和N个下行接收器)。通过使用CRAN 300，RRU 320可以使用波分复用在不包括激光器或其它光源的情况下传送多个上行信号。通过使用多个PIRM 321，RRU 320可以更便宜地制造并且可以在高温环境下操作，同时针对多个上行信号343使用单个光纤。
图4是用于使用PIRM 413和PIRM 421的数据中心网络400的一实施例的示意图，PIRM 413和PIRM 421可基本上类似于PIRM 100或本文公开的任何其它PIRM实施例。数据中心网络400包括多个机架服务器420，机架服务器是例如通过提供应用、操作软件、虚拟化、云计算等向客户端提供服务的硬件设备。机架服务器420的各个机架可通过架顶(Top ofRack，TOR)交换机互连。TOR交换机/机架服务器可按行排列，使得每行连接到一个EOR交换机411或470。然后，EOR交换机411或470耦合到核心网，从而允许机架服务器420通过EOR411/470和核心网与客户端通信。在一实施例中，EOR交换机411和470以及机架服务器420各自分别包括PIRM 413和421，从而允许WDM CW激光器473为数据中心网络400中的多个服务器、多个服务器机架和/或多个服务器行提供光载波。
WDM激光器473可以是任何发送多个波长的多个光载波的光源，可基本上类似于CW激光器313。来自WDM激光器473的光载波被转发到分光器471，分光器471是任何用于将光载波分解为多个部分的设备，例如分解为同一组光载波的功率/亮度降低的多个副本。光载波离开分光器471并被转发到EOR交换机411和其它EOR交换机470，EOR交换机470基本上类似于EOR交换机411，但为论述清晰起见，并未详细示出。
EOR交换机411是任何能够通过在光网络中执行分组交换来连接其它设备的设备。光载波在EOR交换机411处接收并通过EDFA 419转发以放大光载波的功率/亮度。在一些实施例中，除了或者替代于EDFA 419，还可使用其它放大器，例如SOA。放大的光载波通过另一分光器471转发，从而产生一组上行载波441和一组下行载波444。上行载波441被转发到机架服务器420，下行载波444被转发来进行调制。EOR交换机411包括PIRM 413，PIRM 413类似于PIRM 321并通过Mux 414互连，Mux 414基本上类似于Mux 314。EOR交换机411还包括OC418，OC 418基本上类似于OC 318。下行载波444经过OC 418并被转发到Mux 414。Mux 414按波长将下行载波444分解为N个载波，并将它们转发给对应的PIRM 413以进行调制。PIRM413将多个下行数据调制到下行载波444上以产生下行信号445，然后，Mux 414合并下行信号445以通过OC 418传输给机架服务器420。
机架服务器420包括Mux 429和下行(downlink，DL)Rx 425，它们基本上分别类似于Mux 316和上行Rx 315，但用于传送下行信号445。Mux 429按波长分解下行信号445，并将它们转发给DL Rx 425以便被接收并转变为电下行数据。机架服务器420还包括OC 428、Mux427和PIRM 421，它们基本上分别类似于OC 418、Mux 427和PIRM 421。上行载波441通过OC428转发给Mux 427。Mux 427按波长分解上行载波441，并通过与Mux 414和PIRM 413类似的方式将它们转发给对应的PIRM 421。PIRM 421将上行数据调制到上行载波441上以产生上行信号443，Mux 427合并上行信号443以向上游传输回EOR交换机411。EOR交换机411在Mux416处接收上行信号443并按波长将它们转发给上行Rx 415，其中，Mux 416和上行Rx 415基本上分别类似于Mux 316和上行Rx 315。
应注意，在一些实施例中，Mux 429、DL Rx 425、OC 428、Mux 427和PIRM 421在TOR中实施；在一些实施例中，Mux 429、DL Rx 425、OC 428、Mux 427和PIRM 421在单个机架服务器420中实施或分布于多个机架服务器420中。且不论实施例，通过使用PIRM 413和421，激光源473提供足够的光载波来支持EOR交换机411与多个机架服务器420之间的WDM通信，还为多个EOR交换机470和411提供足够的光载波来与多个对应的机架服务器420通信。通过共享激光器，同时仍然利用WDM光通信的优势，这种系统使EOR交换机411和机架服务器420/TOR交换机的制造更便宜。
图5是基于硅波导的PIRM 500的一实施例的示意图。PIRM 500是PIRM 100的特定实施例，可用作本文公开的任意系统中的PIRM，例如用作PIRM 221、PIRM 321、PIRM 413和/或PIRM 421。PIRM 500包括基于硅的基底。PIRM 500包括偏振分光器—旋转器(polarization splitter-rotator，PSR)555，PSR 555为PBS 155和PR 157提供类似的功能。PSR 555从片外接收光载波541并将TE分量561与TM分量分离，使得TE分量561包括垂直于TM分量的偏振。然后，PSR 555将TM分量旋转到TE偏振，从而产生与TE分量561具有相同/并行偏振的TE分量562。调制器559是任何基于硅的、基本上类似于调制器159的调制器，例如MZM调制器和IQ调制器等。调制器559基本上同时对具有电数据的TE分量561和562进行调制。调制TE分量561离开调制器559并以顺时针方式沿光路继续，而调制TE分量562离开调制器559并以逆时针方式沿光路继续。两个输出(TE分量561和562)具有正交偏振，两个输出功率的总和取决于传入上行载波541的偏振态。调制TE分量561和562在PSR 555处重组为单个调制光信号543以进行片外传输。
图6A是基于外部偏振分束器耦合器(external polarization beam splittercoupler，EPSBC)的PIRM 600的一实施例的顶视图。PIRM 600是PIRM 100的特定实施例，可用作本文公开的任意系统中的PIRM，例如用作PIRM 221、PIRM 321、PIRM 413和/或PIRM421。PIRM 600使用PBS 655，PBS 655包括如图6B所示的双折射晶体651、玻璃光楔652和半波片(half wave plate，HWP)653，图6B示出了EPSBC的侧视图。双折射晶体651可由钒酸钇(Yttrium Orthovanadate，YVO4)制成，从片外接收光上行载波641。PIRM 600还可包括透镜(未示出)以将光载波641从光纤聚焦到双折射晶体651。双折射晶体651将光载波641分解为偏振垂直于页面的正常射线(ordinary ray，O-ray)663以及偏振垂直于/正交于O-ray 663(例如，平行于页面)的非常射线(extraordinary ray，E-ray)664。玻璃光楔652使O–ray663和E-ray 664向下弯曲到光栅耦合器(grating coupler，GC)657和656，分别如图6A所示。HWP 653放置于玻璃光楔652与GC 656和GC 657之间。HWP 653的下表面附着并粘结到包含GC 656和GC 657的硅片的表面。光楔反射O–ray 663和E-ray 664并使它们的偏振方向平行于PIRM 600的硅部分中波导的TE模式。HWP 653还将如玻璃光楔652所反射的O–ray 663和E-ray 664的偏振旋转约45度，并将它们与对应的GC 656和GC 657的方向对齐，从而分别产生TE分量661和TE分量662。因此，PBS 655提供与PBS 155和PR 157基本相同的功能。GC656和GC 657是任何用于将光耦合到波导中的光刻胶光栅。在进入GC 656和GC 657时，TE分量661和662通过硅波导进入光路。PIRM 600还包括调制器659，调制器659基本上类似于调制器159和559。TE分量661和662分别从顺时针和逆时针方向进入调制器659，并且基本上同时进行调制，其中电信号基本上同时被调制到TE分量661和662上。然后，调制TE分量661和662分别返回到GC 656和GC 657，并由PBS 655合并为输出信号643以(例如通过光纤)进行片外传输。
图6B是基于EPSBC的PIRM 600的一实施例的跨图6A中的线A-A截取的截面视图。如图6A所见，双折射晶体在水平面分解O–ray 663和E-ray 664。如图6B所示，玻璃光楔652在垂直面通过HWP 653反射O–ray 663和E-ray 664以进入GC 656和GC 657。
图7是基于光栅耦合器的PIRM 700的一实施例的示意图。PIRM 700是PIRM 100的特定实施例，可用于本文公开的任意系统中的PIRM，例如用作PIRM 221、PIRM 321、PIRM413和/或PIRM 421。PIRM 700从片外接收光载波741。PIRM 700包括二维光栅耦合器755(two-dimension grating coupler，2D-GC)，2D-GC 755具有针对波导的指定入射角。2D-GC755具有两个光栅，它们的对应方向相互正交。因此，光载波741通过光栅耦合器755分解，使得第一光分量被发送到下波导中以成为TE分量762，而具有正交方向的第二光分量被发送到上波导中以成为另一TE分量761。因此，光栅耦合器755执行与PBS 155和PR 157基本相同的功能。PIRM 700包括调制器759，调制器759基本上类似于调制器159，用于基本上同时对TE分量761和762进行调制。调制TE分量761以顺时针方向返回到光栅耦合器755，而调制TE分量762以逆时针方向返回到光栅耦合器755。然后，光栅耦合器755将调制TE分量761和762合并为单个输出信号743以(例如通过光纤)进行片外传输。
图8是在使用PIRM 100、PIRM 221、PIRM 500、PIRM 600和/或PIRM 700等PIRM的CRAN，例如CRAN 200，中使用的基带单元(baseband unit，BBU)800的一实施例的示意图。例如，BBU 800可实施一个或多个BBU收发器211。BBU 800包括CW激光器813、上行Rx 815和OC818，它们基本上类似于CW激光器313、上行Rx 315、OC 318，但是不是针对WDM而配置。具体而言，CW激光器813生成单个上行载波841以通过OC 818向下游传输给RRU(例如RRU 220)，并通过同一光纤从RRU接收调制上行信号843。OC 818将上行信号843从RRU转发到上行Rx815中以转变为电数据。BBU 800还包括下行Tx 817，下行Tx 817是具有调制器的CW激光器，例如具有调制器159。下行Tx 817生成并调制光载波，从而产生下行信号845以传输给RRU。因此，BBU 800使用两个光纤，一个用于上行信号843和上行载波841，一个用于下行信号845。此外，两个激光器(例如激光器813和下行Tx 817)都放置于BBU 800中，从而允许在无设备内置激光器/光源的情况下制造RRU，同时仍然使用光通信。
图9是在使用PIRM 100、PIRM 221、PIRM 500、PIRM 600和/或PIRM 700等PIRM的CRAN(例如CRAN 200)中使用的BBU 900的另一实施例的示意图。例如，BBU 900可实施一个或多个BBU收发器211。BBU 900可基本上类似于BBU 800，但可针对上游和下游通信这两者使用单个CW激光器913。BBU 900包括CW激光器913、上行Rx 915以及OC 918和OC 919，它们基本上分别类似于CW激光器813、上行Rx 815和OC 818，但以不同的配置耦合。BBU 900还包括下行调制器917，其基本上类似于下行Tx 817，但是不包括激光器/光源。CW激光器913发送光载波，光载波由OC 919进行分解，并作为上行载波941转发到OC 918且作为下行载波转发到下行调制器917。下行调制器917对下行载波进行调制以产生下行信号945，该下行信号通过光纤传输到RRU。上行载波941被向下游转发给RRU，该RRU将上行载波941调制到上行信号943中，如上文所述。上行信号943由OC 918接收并转发给上行Rx 915以转变为电数据。可根据需要沿光路放置一个或多个光放大器以促进例如OC 918与上行Rx 915之间和/或OC918与传输光纤之间的光信号。因此，BBU 900使用两个光纤，一个用于上行信号943和上行载波941，一个用于下行信号945，但是每个RRU使用一个激光器913。此外，将激光器913放置于BBU 900中，从而允许在无设备内置激光器/光源的情况下制造RRU，同时仍然使用光通信。
图10是用于在使用PIRM 100、PIRM 500、PIRM 600和/或PIRM 700等PIRM的网络(例如网络200、网络300和/或网络400)中操作的NE 1000的一实施例的示意图。例如，NE1000可位于光传输系统中，比如CRAN或数据中心网络中，并可包括Tx，该Tx包括PIRM调制器1034(包括PIRM但不包括对应的激光器)。NE 1000可用于实施或支持本文描述的任意方案。在一些实施例中，NE 1000可充当RRU、BBU、EOR交换机、TOR交换机、机架服务器或本文公开的任何其它光网元。所属领域技术人员将认识到，术语收发器单元包括的设备范围很广，NE1000仅仅是示例。包含NE 1000是出于清楚论述的目的，而决非将本发明的应用限制于特定收发器单元实施例或某类收发器单元实施例。本发明中描述的至少一些特征/方法可以在NE 1000等网络装置或组件中实施。例如，本发明中的特征/方法可以使用硬件、固件和/或安装在硬件上运行的软件来实施。NE 1000可以是通过网络传输电信号、无线信号和/或光信号的任何设备，例如交换机、路由器、网桥、服务器、客户端，等等。如图10所示，NE 1000可包括收发器(Tx/Rx)1010，Tx/Rx 1010可以是发射器、接收器或它们的组合，包括PIRM。分别地，Tx/Rx 1010可耦合到多个上游端口1050，用于发送和/或接收来自其它节点的帧，并且Tx/Rx 1010耦合到多个下游端口1020，用于发送和/或接收来自其它节点的帧。在一些实施例中，Tx/Rx 1010是在下游传输中使用的天线，下游端口1020被省略。处理器1030可耦合到Tx/Rxs 1010以处理数据信号和/或确定将数据信号发送到哪些节点。处理器1030可包括一个或多个多核处理器和/或存储设备1032，其可用作数据存储器、缓冲器等。处理器1030可实施为通用处理器或者可以是一个或多个专用集成电路(application specificintegrated circuit，ASIC)和/或数字信号处理器(digital signal processor，DSP)的一部分。NE 1000可包括PIRM模块1034，PIRM模块1034可用于对接收的光载波进行调制以生成光信号用于重传，如本文所述。下游端口1020和/或上游端口1050可包含电、无线和/或光发送和/或接收组件。
在一项示例实施例中，NE 1000包括：接收模块，其通过光输入端口从远程设备接收光载波；分光器模块，其将光载波分解为第一偏振分量和第二偏振分量，使得第一偏振分量的第一偏振垂直于第二偏振分量的第二偏振；调制模块，其将电信号调制到第一偏振分量和第二偏振分量上；以及合并器模块，其合并调制后的第一偏振分量与调制后的第二偏振分量以产生合并调制信号。在一些实施例中，NE 1000可包括其它或额外的模块，用于执行实施例中所描述的任一步骤或步骤的组合。
图11是例如在网络200、网络300和/或网络400等网络中使用PIRM 100、PIRM 500、PIRM 600和/或PIRM 700等PIRM的基于PIRM的调制方法1100的一实施例的流程图。当从远程设备接收光载波时，方法1100开始。在步骤1101处，通过光输入端口从远程设备接收光载波。在步骤1103处，(由偏振分束器/合束器)将光载波分解为第一偏振部分和第二偏振部分，使得第一偏振部分的第一偏振垂直于(例如正交于)第二偏振部分的第二偏振。通过执行步骤1103，光载波的两个偏振被分隔并且能够被单独管理。在步骤1105处，在调制之前，(例如由偏振旋转器)将第二偏振部分的第二偏振旋转到平行于第一偏振部分的第一偏振。在步骤1107处，通过使用单个调制器将一个电信号基本上同时调制到第一偏振部分和第二偏振部分上。如上所述，第一偏振部分和第二偏振部分以相反的方向(例如顺时针和逆时针)穿过调制器。在步骤1109处，将调制后的第一偏振部分和调制后的第二偏振部分返回到偏置分束器/合束器并进行合并以产生合并调制信号。在步骤1111处，经由光输入端口通过与光载波共用的光纤来发送合并调制信号。
图12是PIRM 100、PIRM 221、PIRM 321、PIRM 413、PIRM 421、PIRM 500、PIRM 600、PIRM 700和PIRM 1034等PIRM的一实施例的功率损耗对调制器位置偏离容差的图中的1200。图中的1200针对相对于PBS的TE偏振的各偏振旋转角度θ将用以达到2e-4的误码率(bit error rate，BER)的功率损耗示为调制器位置容差的函数。最差性能出现在θ＝45度。图中的1200中的BER基于不归零制(Non-return-to-zero，NRZ)来确定，NRZ的波特率为28吉波特(Gigabauds，Gbauds)每秒(Gbauds per second，GBauds/s)，发射器和接收器带宽约为波特率的0.75倍。对于小于2皮秒(picosecond，ps)的调制器位置容差，损耗对于所有评估的θ都非常小。对于小于1ps的位置容差，用以达到BER的功率损耗可以忽略不计，不管θ是多少。因此，只要PIRM的位置在光路中心的1至2ps内，用以达到所需BER的功率损耗都可接受。
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它特定形式来体现。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。其它变化、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 (15)

1.一种偏振无关反射式调制器，其特征在于，包括：
光输入端，用于接收光载波；
偏振分束器，其光耦合到所述光输入端、第一硅波导和第二硅波导，其中，所述偏振分束器用于：
沿所述第一硅波导转发所述光载波的第一偏振分量；以及
沿所述第二硅波导转发所述光载波的第二偏振分量，其中所述第一偏振分量包括第一偏振，在离开所述偏振分束器时所述第一偏振垂直于所述第二偏振分量的第二偏振；
偏振旋转器，其放置在所述偏振分束器与所述第二硅波导之间，用于将所述第二偏振分量的所述第二偏振旋转到平行于所述第一偏振分量的所述第一偏振；以及
光调制器，其近端耦合到所述第一硅波导，远端耦合到所述第二硅波导，其中，所述光调制器用于对所述光载波的所述第一偏振分量和所述光载波的所述第二偏振分量进行调制，所述第一偏振分量和所述第二偏振分量被输入到来自对端的所述光调制器中同时通过一个公共电信号进行调制；
所述光调制器是一集总硅调制器，所述集总硅调制器中的调制器有效长度小于2毫米，且所述光调制器与所述第一硅波导和所述第二硅波导集成，其中，所述光调制器选为对温度不敏感且对偏振敏感；以及
从所述偏振分束器经由所述第一硅波导到所述集总硅调制器的光传输时间与从所述偏振分束器经由所述偏振旋转器和所述第二硅波导到所述集总硅调制器的光传输时间的差值小于2皮秒。
2.根据权利要求1所述的偏振无关反射式调制器，其特征在于，所述对所述第一偏振分量和所述第二偏振分量进行调制包括：
通过所述近端从所述第一硅波导接收所述第一偏振分量；
通过所述远端从所述第二硅波导接收所述第二偏振分量；
对所述第一偏振分量进行调制以生成第一调制分量；
对所述第二偏振分量进行调制以生成第二调制分量；
通过所述远端将所述第一调制分量输出到所述第二硅波导；以及
通过所述近端将所述第二调制分量输出到所述第一硅波导。
3.根据权利要求2所述的偏振无关反射式调制器，其特征在于，所述偏振分束器还用于：
将所述第一调制分量和所述第二调制分量合并为合并调制信号；以及
通过所述光输入端在与所述光载波的方向相反的方向中转发所述合并调制信号。
4.根据权利要求1所述的偏振无关反射式调制器，其特征在于，所述偏振旋转器包括法拉第旋转器或模变换器。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的偏振无关反射式调制器，其特征在于，所述光调制器包括基于硅波导的调制器、单个集总调制器、马赫-曾德尔调制器、同相正交调制器、基于微环谐振器的调制器、电吸收调制器或它们的组合。
6.根据权利要求1所述的偏振无关反射式调制器，其特征在于，所述偏振分束器包括钒酸钇双折射晶体，所述偏振旋转器包括玻璃光楔和半波片。
7.根据权利要求1所述的偏振无关反射式调制器，其特征在于，所述偏振分束器和所述偏振旋转器包括在二维光栅耦合器中。
8.一种调制器装置，其特征在于，包括：
光输入端，用于从远程设备接收光载波；
偏振无关反射式调制器，其耦合到所述光输入端，其中，所述偏振无关反射式调制器用于：
从所述光输入端接收所述光载波；
将所述光载波分解为第一偏振分量和第二偏振分量；
旋转所述第二偏振分量，使得所述第一偏振分量的第一偏振平行于所述第二偏振分量的第二偏振；
通过使用一个调制器有效长度小于2毫米、且与一第一硅波导和一第二硅波导集成的集总硅调制器将电信号调制到所述第一偏振分量和所述第二偏振分量上，以分别生成调制后的第一偏振分量和第二偏振分量，其中，所述第一偏振分量和所述第二偏振分量同时通过一个公共电信号进行调制，且所述集总硅调制器选为对温度不敏感且对偏振敏感；以及
合并所述调制后的第一偏振分量与所述调制后的第二偏振分量以产生合并调制信号；
所述偏振无关反射式调制器包括：双折射晶体、玻璃光楔、半波片和两个光栅耦合器，其中，
所述双折射晶体将所述光载波分解为偏振垂直于页面的正常射线以及偏振垂直于/正交于所述正常射线的非常射线；
所述玻璃光楔使所述正常射线和所述非常射线向下弯曲到两个所述光栅耦合器；
所述半波片放置于所述玻璃光楔与两个所述光栅耦合器之间，所述半波片的下表面附着并粘结到包含两个所述光栅耦合器的硅片的表面，所述半波片还将所述玻璃光楔所反射的所述正常射线和所述非常射线的偏振旋转约45度，并将它们与对应的光栅耦合器的方向对齐，从而分别产生第一TE分量和第二TE分量；
所述光栅耦合器是任何用于将光耦合到波导中的光刻胶光栅。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置包括多个偏振无关反射式调制器，所述装置还包括耦合到所述光输入端和所述偏振无关反射式调制器的波分复用器，所述光载波包括多个波长，所述波分复用器用于将各个波长分配给对应的偏振无关反射式调制器以支持波分复用。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置是位于数据中心的服务器，所述远程设备是列末交换机，所述偏振无关反射式调制器还用于通过所述光输入端将所述合并调制信号发送到所述列末交换机。
11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括下游光端口，所述偏振无关反射式调制器还用于通过所述下游光端口将所述合并调制信号发送到下游设备。
12.根据权利要求8至11中的任一项所述的装置，其特征在于，所述装置是射频拉远单元，所述远程设备是基带单元，所述装置包括无线收发器，所述电信号通过所述无线收发器从移动网络接收以进行调制并通过所述光输入端重传给所述基带单元。
13.一种基于偏振无关反射式调制器的调制方法，其特征在于，包括：
通过光输入端从远程设备接收光载波；
将所述光载波分解为第一偏振分量和第二偏振分量；
旋转所述第二偏振分量，使得所述第一偏振分量的第一偏振平行于所述第二偏振分量的第二偏振；
通过使用一个调制器有效长度小于2毫米、且与一第一硅波导和一第二硅波导集成的集总硅调制器将电信号调制到所述第一偏振分量和所述第二偏振分量上，以分别生成调制后的第一偏振分量和第二偏振分量，其中，所述第一偏振分量和所述第二偏振分量同时通过一个公共电信号进行调制，且所述集总硅调制器选为对温度不敏感且对偏振敏感；以及
合并所述调制后的第一偏振分量与所述调制后的第二偏振分量以产生合并调制信号；
所述偏振无关反射式调制器包括：双折射晶体、玻璃光楔、半波片和两个光栅耦合器，其中，
所述双折射晶体将所述光载波分解为偏振垂直于页面的正常射线以及偏振垂直于/正交于所述正常射线的非常射线；
所述玻璃光楔使所述正常射线和所述非常射线向下弯曲到两个所述光栅耦合器；
所述半波片放置于所述玻璃光楔与两个所述光栅耦合器之间，所述半波片的下表面附着并粘结到包含两个所述光栅耦合器的硅片的表面，所述半波片还将所述玻璃光楔所反射的所述正常射线和所述非常射线的偏振旋转约45度，并将它们与对应的光栅耦合器的方向对齐，从而分别产生第一TE分量和第二TE分量；
所述光栅耦合器是任何用于将光耦合到波导中的光刻胶光栅。
14.根据权利要求13所述的调制方法，其特征在于，还包括经由所述光输入端通过与所述光载波共用的光纤来发送所述合并调制信号。
15.根据权利要求14所述的调制方法，其特征在于，所述第一偏振分量和所述第二偏振分量以相反的方向穿过所述集总硅调制器。
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