CN109856885B - 一种低压负啁啾调制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种低压负啁啾调制器，包括被分为上、下两臂的波导，波导上设置至少3个相位调制器，波导上臂设置至少一个相位调制器，下臂设置至少一个相位调制器，上、下两臂间具有π的直流相位差，出射光的电场强度表达式为：，其中，和分别为上下臂射频信号引起的相位，为所述光输出端相位调制器加载射频信号所引起的相位，为出射光电场强度的幅值。本发明的实质性效果是：通过对前端调制单元的改进，实现高带宽长距离光信号传输，同时实现光信号幅度调制、相位调制单独调节，降低调制信号摆幅。

Description

一种低压负啁啾调制器

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种低压负啁啾调制器。

背景技术

在光通信领域，C波段的色散问题会随着长距离通信速率的提高而越发严重，这主要是因为单模光纤在C波段具有非常强的正色散，距离越长，速率越高，色散问题越突出。色散在直接调制检测链路中，会很大程度上的影响信号质量，提高信号误码率，所以需要通过一些特殊手段去除色散对信号传输的影响。有研究表明，一定的啁啾能够降低长距离信号传输色散引起的信号劣化的问题。传统的调制手段，比如单边调制，通常会同时改变出射信号的幅度和相位，导致在调节啁啾强度的同时，改变出射信号的其他特性，如衰减率（ER）。直接调制（DML）由于其正啁啾特性一般只用于短距离传输。外电吸收调制（EML）可以在一定程度上引入啁啾，补偿一定的光纤色散，通常用于中距离传输，但会引起输出功率的下降。

目前Mach-Zehnder（MZ，马赫-曾德）调制器为一般长距离光信号强度调制的重要手段。图2为MZ调制器的常见形式，图中黑色线条为光波导，波导通过一个分束器，分为上下两条支路，又称上下臂，可以根据不同需求，设计成对称或者非对称型。上下臂上一般都会各自经过一段相位调制（phase shifter，PS），相位调制器可能由不同材料制成，可以是铌酸锂晶体，三五族晶体，硅，锗或者其他材料。工作时，光通过分束器，按照一定比例分到上下两条臂上传播。与此同时，在上下两臂的电极上提供电压，将电压信号转换为光相位调制信号。最后上下两臂经过相位调制的光，通过集束器会和到出射波导中，并且按照其相位关系相互干涉，形成一定强度的调制光信号。在上下两臂电极上加的电压，通常分为射频（RF）信号以及直流偏置（DC）信号两部分，可以根据使用需要，分开或者叠加输入。

MZ调制器上下两臂中的相位调制器能将电压信号成正比的对光信号进行相位调节，假如以1和2分别表示上下臂，当上下两臂相位差为π时，出射波导的输出光电场强度表达式为：

其中和分别为上下臂射频信号引起的相位，为出射光电场强度的幅值。

当=-时，

出射光只有幅度调制。

当=时，

出射光只有相位调制。

啁啾的物理意义为信号相位调制和幅度调制的比例，当相位调制为0的时候，上述两种情况是MZ调制器工作在零啁啾调制。当两臂的相位调制关系不同于以上两种情况时，出射光同时具有幅度调制以及相位调制，但是无法实现幅度调制、相位调制单独调节，另外，其调节过程中所使用的RF信号幅度比较高，超出一般CMOS承受电压范围，会引起器件损伤。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有MZ调制器无法实现信号的幅度调制、相位调制单独调节，同时其添加啁啾时所使用信号摆幅较大，引起CMOS器件损伤。

为解决上述技术问题，本发明提出一种低压负啁啾调制器，包括被分为上、下两臂的波导，波导上设置至少3个相位调制器，所述波导上臂设置至少一个相位调制器，所述下臂设置至少一个相位调制器。

进一步，所述上臂设置一个相位调制器，所述下臂设置一个相位调制器，在所述上、下臂合束后的光输出端连接一个相位调制器。

进一步，所述上臂设置两个相位调制器，所述下臂设置两个相位调制器。

进一步，所述上臂设置一个相位调制器，所述下臂设置一个相位调制器，所述上、下臂分束前的光输入端连接一个相位调制器。

进一步，所述相位调制器为硅光相位调制器、三五族相位调制器、铌酸锂相位调制器中任一种。

进一步，所述上、下两臂间具有π的直流相位差，出射光的电场强度表达式为：

其中，和分别为上下臂射频信号引起的相位，为所述光输出端相位调制器加载射频信号所引起的相位，为出射光电场强度的幅值。

进一步，各相位调制器长度相等。

进一步，所述各相位调制器的RF驱动信号同步。

本发明的有益效果是：引入多个相位调制器，实现光信号的幅度调制、相位调制分开调制，通过改变对应的RF信号强度，实现低压啁啾调制，保证任一臂上的电压维持在CMOS或者常用驱动电路的电压要求范围内。

附图说明

图1为光通信路径示意图。

图2为MZ调制器原理示意图。

图3为实施例一低压负啁啾调制器原理示意图。

图4为实施例一低压负啁啾调制器内部结构示意图。

图5为实施例二低压负啁啾调制器原理示意图。

图6为实施例二低压负啁啾调制器内部结构示意图。

图7为实施例三低压负啁啾调制器原理示意图。

图8为实施例三低压负啁啾调制器内部结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

实施例一：

如图3所示，一种低压负啁啾调制器，波导通过分束器100被分为上、下两臂，上臂设置一相位调制器101，下臂设置一相位调制器102，相位调制器101、102经集束器108合束，波导靠近光输出端设置一相位调制器103，相位调制器101、102、103长度相等。

图4为本实施例低压负啁啾调制器内部结构图，相位调制器101、102、103均为硅光相位调制器，电极1011、1014、1031、1034、1021、1024长度均相等，图中1012、1032、1022为P掺杂硅，1013、1023、1033为N掺杂硅，波导采用硅波导。

光从左侧波导输入，通过一个分束器按照一定比例分到上下两臂中，我们在相位调制器101、102的电极上分别加上一组差分信号，并保持上下两臂间具有π的直流相位差。光在上下两臂中经过相位调制，通过集束器，经过干涉，成为纯幅度调制的光信号，啁啾为零。此时，光经相位调制器103，通过调节相位调制器的驱动RF信号强度，可以在不改变信号幅度的前提下调节啁啾系数大小。假设上、下两臂分别为1、2，103对应的相位调制器为3，MZ调制器当上下两臂相位差为π时，出射波导的输出光电场强度表达式为：

由于，出射光的电场强度表达式应为：

其中，和分别为相位调制器101、102加载射频信号引起的相位，为相位调制器103加载射频信号所引起的相位，为出射光电场强度的幅值。

根据背景技术中：出射光的电场强度表达式为时，只有幅度调制；出射光的电场强度表达式为时，只有相位调制。本实施例中出射光强度表达式为，可以调节加载在相位调制器103上的驱动RF信号，来进行相位调制；调节加载在相位调制器101、102上的RF信号强度，来进行幅度调节。这样可以实现分别幅度调节、相位调节单独调制。

与传统MZ调制器相比，实现同样的相位、幅度调制，所需加载在单个相位调制器上的电信号强度较低，可以将驱动电路（如CMOS）的电压控制在可承受的范围内，避免了器件损伤。

实施例二：

如图5所示，一种低压负啁啾调制器，波导通过分束器100被分为上、下两臂，上臂设置相位调制器104、106，下臂设置相位调制器105、107，波导上、下臂经集束器合束，相位调制器104、105、106、107长度相等。

图6为本实施例低压负啁啾调制器内部结构图，相位调制器104、105、106、107为铌酸锂调制器，分别由两个电极与电极间的铌酸锂波导构成。电极1041、1042与电极中间的铌酸锂波导构成相位调制器104，电极1061、1062与电极间的铌酸锂波导构成相位调制器106，相位调制器105包括电极1051、1052与电极间的波导，相位调制器107包括电极1071、1072与电极中间的铌酸锂波导。

光从左侧波导进入，通过分束器按照一定比例分到上下两臂的波导中，同时在相位调制器104、105上加上一组差分驱动RF信号，光在经过相位调制器104、105的相位调节后，并保持相位调制器104、105间具有π的直流相位差。又分别经过相位调制器106、107，在这两段相位调制器上加载相同幅值、相同相位的RF驱动信号，上、下两臂的光信号通过集束器，经过相互干涉，形成了同时具有幅度调制和相位调制的光信号，啁啾系数可以通过改变加在相位调制器106、107相位调制器上的RF驱动信号强度来调节。同上假设相位调制器104、105分别为1、2，相位调制器106、107分别为3、4，MZ调制器当上下两臂相位差为π时，出射波导的输出光电场强度表达式为：

由于，出射光的电场强度表达式同样应为：

其中，和分别为相位调制器104、105加载射频信号引起的相位，和为相位调制器106、107加载射频信号所引起的相位，为出射光电场强度的幅值。

由背景技术可知，MZ调制器出射光电场强度表达式为时，只有幅度调制；出射光的电场强度表达式为时，只有相位调制。本实施例中出射光强度表达式为，可以调节加载在相位调制器106、107上的驱动RF信号，来进行相位调制；调节加载在相位调制器104、105上的RF信号强度，来进行幅度调节。这样可以实现分别幅度调节、相位调节单独调制。

与传统MZ调制器相比，实现同样的相位、幅度调制，所需加载在单个相位调制器上的电信号强度较低，可以将驱动电路（如CMOS）的电压控制在可承受的范围内，避免了器件损伤。

实施例三：

如图7所示，一种低压负啁啾调制器，波导靠近光输入端设置一相位调制器203，波导经相位调制器203后，通过分束器100被分为上、下两臂，上臂设置一相位调制器201，下臂设置一相位调制器202，相位调制器201、202经集束器108合束，相位调制器201、202、203长度相等。

图8为本实施例低压负啁啾调制器的内部结构图，相位调制器201、202、203均为三五族相位调制器，相位调制器201内部包括电极2011、2012、2013，III-V量子阱 2014,电极2012置于III-V量子阱 2014内部，电极2011与电极2013分置于III-V量子阱 2014两侧。相位调制器202内部包括电极2021、2022与III-V量子阱 2024,且与相位调制器201共用接地电极2013，电极2022置于III-V量子阱 2024内部，电极2021置于III-V量子阱远离相位调制器201的一侧。相位调制器203内部包括电极2031、2032、2033，III-V量子阱 2034,电极2032置于III-V量子阱 2034内部，电极2031与电极2033分置于III-V量子阱 2034两侧。波导采用磷化铟波导。

光从波导光输入端输入，经相位调制器203，通过调节相位调制器的驱动RF信号强度，光的相位发生变化，假设203调制器为3，则具体表达式为：

随后，通过一个分束器按照一定比例分到上下两臂中，在相位调制器201、202的电极上分别加上一组差分信号，并保持上下两臂间具有π的直流相位差。光在上下两臂中经过相位调制，通过集束器，经过干涉，成为同时具有相位和幅度调制的光信号。此时，假设上、下两臂分别为1、2，203对应的相位调制器为3，MZ调制器当上下两臂相位差为π时，出射波导的输出光电场强度表达式为：

由于，出射光的电场强度表达式同样应为：

其中，和分别为相位调制器201、202加载射频信号引起的相位，为相位调制器203加载射频信号所引起的相位，为出射光电场强度的幅值。

背景技术中，MZ调制器出射光的电场强度表达式为时，只有幅度调制；出射光的电场强度表达式为时，只有相位调制。本实施例中出射光强度表达式为，可以调节加载在相位调制器203上的驱动RF信号，来进行相位调制；调节加载在相位调制器201、202上的RF信号强度，来进行幅度调节。这样可以实现分别幅度调节、相位调节单独调制。

与传统MZ调制器相比，实现同样的相位、幅度调制，所需加载在单个相位调制器上的电信号强度较低，可以将驱动电路（如CMOS）的电压控制在可承受的范围内，避免了器件损伤。

Claims (5)

1.一种低压负啁啾调制器，包括被分为上、下两臂的波导，其特征在于：波导上设置至少3个相位调制器，波导上臂设置一个相位调制器，下臂设置一个相位调制器，在所述上、下臂合束后的光输出端连接一个相位调制器；所述上、下两臂间具有π的直流相位差，出射光的电场强度表达式为：其中，为上臂射频信号引起的相位，为所述光输出端相位调制器加载射频信号所引起的相位，为出射光电场强度的幅值；调节加载在所述光输出端相位调制器上的驱动RF信号，进行相位调制，调节加载在所述上臂的相位调制器上的RF信号，进行幅度调制，以实现幅度调节、相位调节单独调制。

2.根据权利要求1所述的低压负啁啾调制器，其特征在于：所述上臂设置一个相位调制器，所述下臂设置一个相位调制器，所述上、下臂分束前的光输入端连接一个相位调制器。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的低压负啁啾调制器，其特征在于：所述相位调制器为硅光相位调制器、三五族相位调制器、铌酸锂相位调制器中任一种。

4.根据权利要求1-2中任一项所述的低压负啁啾调制器，其特征在于：各相位调制器长度相等。

5.根据权利要求1中所述的低压负啁啾调制器，其特征在于：各相位调制器的RF驱动信号同步。