CN108279512A - 具有减小长度的马赫-曾德尔二极管的光学调制器 - Google Patents

具有减小长度的马赫-曾德尔二极管的光学调制器 Download PDF

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Abstract

一种Mach‑Zehnder调制器(MZM)包括第一光学路径，具有耦合至第一电压信号节点并配置用于修改通过第一光学路径发送的第一光信号的相位的第一二极管。另一二极管位于第一光学路径中并配置用于将相位偏移引入第一光信号。第二光学路径包括耦合至第二电压信号节点并配置用于修改通过第二光学路径发送的第二光信号的相位的第二二极管。承载在第一电压信号节点上的第一电压信号与承载在第二电压信号节点上的第二电压信号每个在反向偏置电压电平和正向偏置电压电平之间变化。光学耦合器耦合至第一光学路径和第二光学路径。

Description

具有减小长度的马赫-曾德尔二极管的光学调制器
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2017年1月6日提交的法国专利申请No.1750151的优先权，该申请在此通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开涉及光学调制器的领域，并且特别地涉及马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)调制器(MZM)的领域。
背景技术
也被称为Mach-Zehnder干涉仪(MZI)的Mach-Zehnder调制器(MZM)是基于由光耦合器所组合的两个异相光学信号之间的干涉的光学调制器。特别地，光学耦合器的每个输出分支中的光学功率将取决于在耦合器的输入端处光学信号之间的相位差的量。
为了在光学信号之间提供可变的相位差，已经提出了通过二极管传播光学信号，跨越二极管施加偏置电压，每个光学信号的相位偏移是所施加的电压电平的函数。以该方式，被施加至二极管的电压信号可以用于产生经调制的光学信号。
在接收器处光学信号的成功解调将取决于光学信号的消光比(extinctionratio)，换言之光学信号的不同等级之间光强度的差异。在现有的MZM中，为了在光学信号之间提供足够高以实现优良消光比的相位差，通常需要提供相对较长的二极管，例如长度在2和3mm之间。然而，相对较长的二极管的使用具有在表面面积和能耗方面的缺点。
因此，在现有技术中需要允许使用减小长度的二极管而同时维持得到的光学信号的相对较高消光比的光学调制器。
发明内容
本公开的实施例至少部分地致力于现有技术中的一个或多个需求。
根据一个方面，提供了一种Mach-Zehnder调制器(MZM)。第一光学路径包括适用于接收用于修改通过第一光学路径发送的第一光信号的相位的第一电压信号的第一二极管。第二光学路径包括适用于接收用于修改通过第二光学路径发送的第二光学信号的相位的第二电压信号的第二二极管。第一电压信号和第二电压信号均可以在反向偏置电压电平和正向偏置电压电平之间改变。光学耦合器被配置为耦合第一光学路径和第二光学路径。另一二极管位于第一光学路径中并且被配置用于将相位偏移引入第一光学信号。
根据一个实施例，MZM进一步包括适用于产生第一电压信号和第二电压信号的驱动电路，驱动电路适用于产生比0V高并且比第一二极管和第二二极管的阈值电压低的正向偏置电压电平。
根据一个实施例，第一光学路径和第二光学路径被设置为使得缺乏第一电压信号和第二电压信号时，另一二极管仅在第一光学信号和第二光学信号之间提供由第一光学路径和第二光学路径引入的相位变化。
根据一个实施例，另一二极管被配置为引入在10和80°之间的相位偏移。
根据一个实施例，另一二极管被配置为引入在10和65°之间的相位偏移。
根据一个实施例，第一二极管和第二二极管均具有在200和1100μm之间的长度。
根据一个实施例，另一二极管具有在50和400μm之间的长度。
根据一个实施例，MAM进一步包括另一光学耦合，所述另一光学耦合将第一光学信号提供至第一光学路径并将第二光学信号提供至第二光学路径。
根据一个实施例，MZM进一步包括用于产生用于控制由另一二极管引入的相位偏移的偏置电压的控制电路。
根据一个实施例，控制电路被配置为基于光学耦合器的至少一个输出信号产生偏置电压。
根据另一方面，提供了一种光学链路，包括：以上的MZM，以及耦合置光学耦合器的输出端的光学通道。
根据另一方面，一种光学调制的方法包括，向Mach-Zehnder调制器的第一二极管施加第一电压信号以用于修改通过第一光学路径发送的第一光信号的相位。第一光学路径进一步包括被配置用于将相位偏移引入置第一光信号的另一二极管。方法也包括向Mach-Zehnder调制器的第二二极管施加第二电压信号以用于修改通过第二光学路径发送的第二光信号的相位。第一电压信号和第二电压信号每个在反向偏置电压电平和正向偏置电压电平之间改变。第一光学路径和第二光学路径由光学耦合器耦合。
附图说明
前述以及其他特征和优点将从借由示例且非限定性方式参考附图所给出的实施例的以下详细说明书而变得明显，其中：
图1示意性地说明了根据一个示例性实施例的Mach-Zehnder调制器(MZM)；
图2是展示了根据一个示例性实施例的图1的MZM的每个输出分支的根据相位偏移的输出传输功率的图表；
图3是展示了根据一个示例性实施例的由MZ二极管根据反向电压施加至光学信号的相位偏移的示例的图表；
图4示意性地说明了根据本公开的一个示例性实施例的光学调制器；
图5示意性地说明了根据一个示例性实施例的MZ二极管；
图6是说明了根据一个示例性实施例的MZ二极管中的根据所施加电压的电流的图表；
图7A是说明了根据一个示例性实施例的施加至MZ二极管的电压信号的示例的图表；
图7B是说明了根据一个示例性实施例的由图7A的电压信号得到的光强度的示例的图表；
图8示意性地说明了根据一个示例性实施例的用于PAM-4(脉冲宽度调制)的MZ二极管；
图9A和图9B是说明了根据一个示例性实施例的施加至MZ二极管的电压信号的示例的时序图；以及
图9C是示出了根据一个示例性实施例的由图9A和图9B的电压信号得到的光强度的示例的图表。
具体实施方式
术语“近似”在此用于指明对于所讨论数值的加或减百分之10的范围。
图1示意性地说明了根据已经提出的实施例的MZM 100。MZM100包括具有二极管102的光学路径P1，和具有二极管104的光学路径P2。二极管102、104分别由电压信号V1(t)和V2(t)偏置。二极管102、104用于在光学路径P1、P2中的光信号之间引入变化的相位差，并且这些二极管将在此被称作MZ(Mach-Zehnder)二极管。将光源信号经由光学耦合器106提供至MZ二极管102和104，光学耦合器例如将具有π/2弧度相位差的光信号提供至第一光学路径和第二光学路径P1、P2。相位调制装置108耦合至MZ二极管102和104的输出端，并且在缺乏由MZ二极管102、104所施加的任何相位差时，在光学路径之间添加π/2弧度的默认相位偏移。例如，光学装置108包括分别被配置用于引入+π/4和-π/4的相位偏移。光学耦合器114在二极管110和112的输出端处耦合光学路径P1、P2的光学信号，以便于产生输出光学信号Pout和其中一个例如提供了MZM 100的可以通过光学链路(图1中未示出)发送至接收器的已调制输出信号。
图2是展示了图1的MZM 100的输出光学信号Pout和的根据由光学路径P1和P2引入的相位差的功率的图表。如图所示，当并未施加电压信号V1(t)和V2(t)时，由光学路径所产生的输出信号之间的默认相位差例如近似是π/2弧度，换言之近似90°。在该相位差处，输出功率在输出信号Pout和之间基本上均等的划分。如图2中箭头202所示，当相位差变为低于π/2弧度时，光学输出信号Pout的功率朝向1值增大，代表了组合的光学信号Pout、的全部功率，并且当相位差变得高于π/2弧度时，光学信号Pout的功率朝向0值降低。
输出功率Pout与由光学路径P1和P2引入的光学信号之间相位差之间的关系例如对应于其中k是表示模量2π的整数。由每个MZ二极管102、104引入的相位偏移可以例如由以下表达式确定：
其中λ0是光学信号的波长，Δn是由电压变化引起的二极管的材料的折射率的变化，以及l是二极管的长度。
图3是说明了被施加至MZ二极管的反向偏置电压(REVERSE BIAS)与以度每毫米为单位的、穿过二极管的光学信号的得到的相位偏移(PHASE SHIFT)之间的相互关系的示例的图表。例如，近似2V的反向偏置电压导致近似9度的相位偏移。因此，为了在调制器的光学路径P1、P2中光学信号之间实现+/-30°的相位差图1的实施例中的MZ二极管102、104例如均具有近似3mm的长度。
图4示意性地说明了根据本公开示例性实施例的MZM 400。光学路径P1、P2上的光学信号由MZ二极管401的配对分别基于电压信号V1(t)、V2(t)而被相位偏移。MZ二极管例如是本领域已知的作为高速相位调制(HSPM)二极管的二极管，其允许相对快速地、特别是以反向模式修改光学信号的相位。MZ二极管401的配对包括耦合在光学路径P1中的MZ二极管402，以及耦合在光学路径P2中的MZ二极管404。如图4中所示，MZ二极管402、404的每一个可以由数个二极管的并联电气连接而实施，每个由对应的电压信号V1(t)、V2(t)驱动。形成了每个MZ二极管402、404的二极管沿着对应的光学路径P1、P2被设置为使得光学信号穿过每个二极管。MZ二极管402、404均例如沿着其光学路径具有在200和1100μm之间的长度，并且例如高达1000μm。
例如由驱动电路405基于将要由光学调制器所调制的数据信号D产生电压信号V1(t)和V2(t)。
光学路径P1、P2由光学耦合器406提供，其例如具有两个输入端，其中一个从激光源408接收光学信号，另一个耦合至光学终端410。类似图1的光学耦合器106，光学耦合器406例如提供光学信号至它们之间具有90°相位差的光学路径。
光学路径P1例如包括位于光学耦合器406的一个输出端与MZ二极管402的输入端之间的波导412。光学路径P2例如包括位于光学耦合器406的另一输出端与MZ二极管404的输入端之间的二极管414。二极管414例如是P-本征-N相位调制(PINPM)二极管，具有比HSPM二极管慢的响应时间。实际上，PINPM二极管能够在正向模式中提供相对高的相位变化，但是具有相对较低的频率响应。二极管414例如在光学路径P2中引入光学信号的例如在10°和65°之间的相位偏移，尽管在一些实施例中其可以提供甚至更高的相位偏移，例如高达90°。二极管414在光学路径P1、P2之间产生非对称性。二极管414例如由偏置电压VBIAS偏置，其可以是固定的电压，或者可以是由控制电路415基于反馈路径所产生的可变电压，如以下更详细所述。二极管414例如具有在50和400μm之间的长度。
MZ二极管402、404的输出端例如经由对应的波导416、418耦合至光学耦合器420，其提供已调制的输出信号Pout和输出信号Pout例如经由输出元件422发送至光学接收器(未示出)。在一些实施例中，输出信号提供至光学接收器424，其将光学信号转换为提供至控制电路415的电压信号VFB，并且控制电路415基于该反馈电压调节二极管414的偏置电压VBIAS。在一些实施例中，控制电路415也接收基于输出信号Pout所产生的反馈电压VFB’。例如，耦合器适用于将光学信号Pout的功率的小百分比转向至另一光学接收器(图4中未示出)，其将该信号转换为用于提供反馈电压信号VFB’的电压。例如，控制电路415确定信号Pout和之间的功率差，并且调节由二极管414引入的延迟以使得该差值相对较高。例如一旦制造了调制器之后则执行该计算，并且偏置电压VBIAS随后例如对于调制器的使用寿命保持固定，或者可以周期性地重新校准。
尽管在图4的实施例中二极管414位于光学耦合器406和二极管404之间，但是在备选实施例中其可以位于光学路径P2的其他处，例如用于替代波导418。
图5示意性地示出了根据示例性实施例的图4的MZ二极管402。电压信号V1(t)例如施加在二极管的阴极和阳极之间。电压信号V2(t)例如以类似的方式施加至MZ二极管404。
在一些实施例中，施加至MZ二极管402、404的电压信号V1(t)和V2(t)在负电平和正电平之间变化，以使得这些二极管被正向和反向偏置。如果二极管被反向偏置，换言之跨二极管所施加的电压信号V1(t)是负性的，则二极管中存在载流子耗尽，从而导致相位偏移增大。如果二极管被正向偏置，换言之跨二极管所施加的电压信号V1(t)是正性的，则在二极管中将存在载流子注入，从而导致较高的吸收以及对应的相位偏移。现在将参照图6、图7A和图7B更详细描述。
图6是说明了流过每个MZ二极管402、404的根据电压的电流I的图表。电压信号V1(t)和V2(t)例如均在等于-VR的反向偏置电压602与等于VT的正向偏置电压604之间变化，其中VT是MZ二极管的阈值电压，例如等于0.5和1V之间。与在VT处的正向偏置电压604相反，其将在VT的50％和100％的电平之间，例如近似VT的75％。反向偏置电压-VR例如等于在-1和-3V之间，并且例如近似-1.8V。
图7A是说明了根据示例的电压信号V1(t)的图表，其中反向偏置电压-VR在-1.8V处，并且正向偏置电压在0.72V处。图7A假设使用NRZ(非返回至零)调制方案，并且信号在用于发送“1”位的正向偏置电平与用于发送“0”位的反向偏置电平之间切换。
图7B是说明了由施加至MZ二极管402的图7A的电压信号、以及施加至MZ二极管404的反向信号得到的光强度的图表。
如图所示，光强度信号中峰值和谷值取决于在正向偏置电压电平和反向偏置电压电平下脉冲的持续时间而改变。
本发明人已经发现，图4的MZ调制器能够提供相对较高的消光比，而不论MZ二极管402、404的相对短的长度。例如，提供具有近似250μm长度的二极管414，并且MZ二极管402、404均具有近似360μm的长度，并且使用反向和正向偏置，已经发现，可以以100Gbits/s NRZ的数据速率实现超过4dB的消光比，并且可以以在50Gbits/s NRZ的数据速率实现高达7.9dB的消光比。这与在50Gbits/s NRZ下图1的MZ调制器的仅近似2.2dB的消光比相比，假设二极管110和112每个长度50μm，并且二极管102和104每个近似长度2520μm。此外，已经发现：可以采用与均具有近似1000μm的长度的MZI二极管402、404相同的结构在100Gbits/sNRZ的数据速率实现超过4dB的消光比。
特别地，本发明人已经发现，正向和反向偏置电压的使用增大了光学路径之间的相位变化，在某些情形中允许高达180°的相位变化，并且也增大了低光水平的光衰减。
尽管已经关于两级调制方案描述了图4的实施例，但是在备选实施例中可以使用额外的调制级，提供例如PAM 4调制或更高调制，如现在参照图8、图9A、图9B和图9C所述。
图8示意性地示出了根据允许实施PAM 4调制的实施例的MZ二极管401’替代图4的MZ二极管401。特别地，MZ二极管402和404划分为可以被单独驱动的分立的部分。例如，MZ二极管402划分为二极管402A、402B，二极管402A例如近似是二极管402B长度的两倍。二极管402A、402B分别由电压信号V1A(t)和V1B(t)控制。类似的，MZ二极管404划分为二极管404A、404B，二极管404A例如近似长度是二极管404B的两倍。二极管404A、404B分别由电压信号V2A(t)和V2B(t)控制。
现在将参照图9A、图9B和图9C描述采用图8的MZ二极管401’而操作图4的MZ调制器400。
图9A和图9B是说明了电压信号V1A(t)和V1B(t)的示例的时序图。信号V1A(t)、V1B(t)均例如在正向偏置电压和反向偏置电压之间变化，其例如是与参照图6和图7A以上所述的相同电平。在图9A和图9B的示例中，正向和反向偏置电压分别等于近似0.72V和-1.8V。例如，使用电压信号V1A(t)、V1B(t)的以下状态来对以下数据位编码：“11”：信号V1A(t)和V1B(t)均处于正向偏置电压；“10”：信号V1A(t)处于正向偏置电压，且信号V1B(t)处于反向偏置电压；“01”：信号V1A(t)处于反向偏置电压，且信号V1B(t)处于正向偏置电压；“00”：信号V1A(t)和V1B(t)均处于反向偏置电压。
图9C是说明了由分别施加至MZ二极管402A、402B的图9A和图9B的电压信号、以及施加至MZ二极管404A、404B的反向信号得到的光强度的图表。如图所示，在该示例中，光强度取决于信号V1A(t)、V1B(t)的电平而处于四个水平之一处。
因此已经描述了至少一个示意性实施例，各种改变、修改和改进对于本领域技术人员是易于发生的。例如，尽管关于图4描述了MZ调制器的特别示例，对于本领域技术人员将明显的是，各种修改可以适用于该电路，包括添加其他部件。例如，可以能够在光学耦合器406、420之间的光学路径P1、P2中添加相位修改装置，类似于图1的装置108。
此外，尽管已经描述了PAM 4调制方案的示例，对于本领域技术人员明显的是，这可以扩展至PAM 8或PAM 16调制方案。

Claims (23)

1.一种马赫-曾德尔调制器(MZM)，包括：
第一光学路径，包括第一二极管，所述第一二极管耦合至第一电压信号节点并被配置用于修改通过所述第一光学路径所发送的第一光信号的相位；
第二光学路径，包括第二二极管，所述第二二极管耦合至第二电压信号节点并被配置用于修改通过所述第二光学路径所发送的第二光信号的相位，其中在所述第一电压信号节点上所承载的第一电压信号与在所述第二电压信号节点上所承载的第二电压信号均在反向偏置电压电平和正向偏置电压电平之间变化；
另一二极管，位于所述第一光学路径中并被配置用于将相位偏移引入至所述第一光信号；以及
光学耦合器，耦合至所述第一光学路径和所述第二光学路径。
2.根据权利要求1所述的MZM，进一步包括驱动电路，所述驱动电路耦合至所述第一电压信号节点和所述第二电压信号节点并被配置用于产生所述第一电压信号和所述第二电压信号，其中所述驱动电路被配置为产生高于0V且低于所述第一二极管和所述第二二极管的阈值电压的所述正向偏置电压电平。
3.根据权利要求1所述的MZM，其中，所述第一光学路径和所述第二光学路径被设置为使得在缺乏所述第一电压信号和所述第二电压信号时，所述另一二极管在所述第一光信号和所述第二光信号之间仅提供由所述第一光学路径和所述第二光学路径所引入的相位变化。
4.根据权利要求1所述的MZM，其中，所述第一二极管和所述第二二极管包括高速相位调制(HSPM)二极管，以及所述另一二极管包括P-本征-N相位调制(PINPM)二极管。
5.根据权利要求1所述的MZM，其中，所述另一二极管被配置为引入在10°和80°之间的相位偏移。
6.根据权利要求1所述的MZM，其中，所述另一二极管被配置为引入在10°和65°之间的相位偏移。
7.根据权利要求1所述的MZM，其中，所述第一二极管和所述第二二极管均具有在200μm和1100μm之间的长度。
8.根据权利要求1所述的MZM，其中，所述另一二极管具有在50μm和400μm之间的长度。
9.根据权利要求1所述的MZM，进一步包括另一光学耦合器，所述另一光学耦合器耦合至所述第一光学路径和所述第二光学路径，所述第一光学路径和所述第二光学路径在所述另一光学耦合器与所述光学耦合器之间延伸。
10.根据权利要求1所述的MZM，进一步包括另一光学耦合器，所述另一光学耦合器被配置用于将所述第一光信号提供至所述第一光学路径并将所述第二光信号提供至所述第二光学路径。
11.根据权利要求1所述的MZM，进一步包括偏置电压产生器，所述偏置电压产生器耦合至所述另一二极管。
12.根据权利要求11所述的MZM，其中，所述偏置电压产生器被配置为产生偏置电压以用于控制由所述另一二极管所引入的所述相位偏移。
13.根据权利要求12所述的MZM，其中，所述偏置电压产生器被配置为基于所述光学耦合器的输出信号产生所述偏置电压。
14.一种光学链路，包括：
根据权利要求1所述的MZM；以及
光学通道，所述光学通道耦合至所述光学耦合器的输出端。
15.一种马赫-曾德尔调制器(MZM)，包括：
第一光学路径；
第二光学路径；
第一二极管，所述第一二极管位于所述第一光学路径中并耦合至第一电压信号节点，其中所述第一二极管被设计为具有第一响应时间；
第二二极管，所述第二二极管位于所述第二光学路径中并耦合至第二电压信号节点，其中所述第二二极管被设计为具有第二响应时间；
第三二极管，所述第三二极管位于所述第一光学路径中并耦合至偏置电压节点，其中所述第三二极管被设计为具有比所述第一响应时间和所述第二响应时间慢的第三响应时间；以及
光学耦合器，所述光学耦合器具有耦合至所述第一光学路径的第一输入端以及耦合至所述第二光学路径的第二输入端。
16.根据权利要求15所述的MZM，其中，在所述第一电压信号节点上承载的第一电压信号和在所述第二电压信号节点上承载的第二电压信号均在反向偏置电压电平和正向偏置电压电平之间变化。
17.根据权利要求15所述的MZM，其中，所述第一二极管和所述第二二极管包括高速相位调制(HSPM)二极管，以及所述第三二极管包括P-本征-N相位调制(PINPM)二极管。
18.根据权利要求15所述的MZM，其中，所述第三二极管被配置为引入在10°和65°之间的相位偏移。
19.根据权利要求15所述的MZM，其中，所述第一二极管和所述第二二极管均具有在200μm和1100μm之间的长度，以及其中所述第三二极管具有在50μm和400μm之间的长度。
20.一种光学调制的方法，包括：
施加第一光信号至第一光学路径，所述第一光学路径包括马赫-曾德尔调制器的第一二极管以及另一二极管；
施加第二光信号至第二光学路径，所述第二光学路径包括所述马赫-曾德尔调制器的第二二极管的第二光学路径；
通过偏置所述另一二极管，在所述第一光信号中引入相位偏移；
通过施加第一电压信号至所述第一二极管，修改所述第一光信号的相位，其中所述第一电压信号在反向偏置电压电平和正向偏置电压电平之间变化；
通过施加第二电压信号至所述第二二极管，修改所述第二光信号的相位，其中所述第二电压信号在所述反向偏置电压电平与所述正向偏置电压电平之间变化；以及
组合所述第一光信号和所述第二光信号。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，在所述第一光信号中引入相位偏移包括采用由校准过程所确定的偏置电压来偏置所述另一二极管。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第一二极管和所述第二二极管与所述另一二极管相比具有更快的响应时间。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，在所述第一光信号中引入相位偏移包括引入在10°和65°之间的相位偏移。
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