CN110266396A - 一种光学pam-4信号接收机和全光量化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光学PAM‑4信号接收机和全光量化方法，该信号接收机包括：光功率分路模块，用于将接收到的PAM‑4光信号按照3:2:1的比例分成三路并输出；光电转换模块，用于将接收到的分路光信号分别转换为电流信号并输出；放大模块，用于分别放大接收到的所述电流信号并将放大后的所述电流信号分别以电压信号的形式输出；串行器，用于将接收到的所述电压信号以串行电平信号的形式输出；比较器，用于根据预设阈值电压将接收到的所述串行电平信号转换为二进制代码并输出；以及译码器，用于将接收到的所述二进制代码转换为PAM‑4数字信号。本发明可以显著降低接收机电路设计的复杂度，并且可以有效避免基于T1‑ADC接收机中普遍存在的高功耗问题。

Description

一种光学PAM-4信号接收机和全光量化方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种光学PAM-4信号接收机和全光量化方法。
背景技术
PAM是一种最基本常用的数字调制方式，它利用脉冲幅度来传送数字序列，以形成连续的信号，PAM信号可以直接在合适的基带信道中传输，PAM属于数字单载波调制，可以广泛应用于200G/400G接口的电信号或光信号传输中。
PAM-4有4种电平，每个电平由2个比特构成，相应的能够传递2个比特的数据信息(00→0、01→1、10→2、11→3)。
随着近年来对高吞吐量互连的需求不断增长，对高速收发器的需求持续快速增长，PAM-4编码也越来越收到学术界和工业界的重视。
传统电学PAM-4接收机主要由线性均衡器、三个具有不同阈值电压的比较器、PAM-4解码器和解复用器组成。但是，这种结构有明显的缺点：1)比较器需要设置固定的阈值电压，需要使用电阻器或电容器梯形产生参考电压，并将输入信号与该参考电压进行比较，以产生正确的码位。然而，比较器的容性负载会严重限制带宽，且较宽的阈值电压范围需要比较器的大动态范围。随着数据速率的变化，信号摆幅和信道损耗会发生显著变化；2)线性均衡器只能提供有限的均衡，这很难补偿由通道和封装引起的损耗以及阻抗不连续性的反射
目前最先进的PAM-4接收机设计采用高速时间交织的逐次逼近模拟数字转换器对电学PAM-4信号进行采样和量化，但这是以提高功耗和电路复杂度为代价实现的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光学PAM-4信号接收机和全光量化方法，可以改善目前的高速PAM-4信号接收机中面临的高功耗、高电路复杂度的问题，从而可以在光学领域实现量化PAM-4信号的目的，并且大大降低接收机电路设计的复杂度。
为达到上述目的，本发明提供一种光学PAM-4信号接收机，包括：
光功率分路模块，用于将接收到的PAM-4光信号按照3:2:1的比例分成三路分路光信号并分别通过第一输出端、第二输出端和第三输出端输出，所述光功率分路模块包括至少一光功率分路器，所述第一输出端、第二输出端和第三输出端的分路光信号的光功率比为3:2:1；
光电转换模块，与所述光功率分路模块的输出端相连，用于将接收到的所述分路光信号分别转换为电流信号并输出，所述光电转换模块包括第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器，所述第一光电探测器与所述第一输出端相连，所述第二光电探测器与所述第二输出端相连，所述第三光电探测器与所述第三输出端相连；
放大模块，与所述光电转换模块的输出端相连，用于分别放大接收到的所述电流信号并将放大后的所述电流信号分别以电压信号的形式输出，所述放大模块包括第一放大器、第二放大器和第三放大器，所述第一放大器与所述第一光电探测器的输出端相连，所述第二放大器与所述第二光电探测器的输出端相连，所述第三放大器与所述第三光电探测器的输出端相连；
串行器，与所述放大模块的输出端相连，用于将接收到的所述电压信号以串行电平信号的形式输出；
比较器，与所述串行器的输出端相连，用于根据预设阈值电压将接收到的所述串行电平信号转换为二进制代码并输出；以及
译码器，与所述比较器的输出端相连，用于将接收到的所述二进制代码转换为PAM-4数字信号。
可选的，所述光功率分路模块包括第一光功率分路器，用于将接收到的PAM-4光信号按照3:2:1的比例分成三路分路光信号，所述第一光功率分路器具有三个输出端，分别作为所述第一输出端、第二输出端和第三输出端。
可选的，所述光功率分路模块包括第二光功率分路器和第三光功率分路器，所述第二光功率分路器和所述第三光功率分路器均具有两个输出端，所述第二光功率分路器的一输出端与所述第三光功率分路器的输入端相连，另一输出端与所述光电转换模块相连，所述第三光功率分路器的两输出端均与所述光电转换模块相连。
可选的，所述第二光功率分路器用于将接收到的PAM-4光信号按照1:1的比例分成两路分路光信号，所述第三光功率分路器用于将接收到的分路光信号按照2:1的比例分成两路。
可选的，所述第二光功率分路器用于将接收到的PAM-4光信号按照1:5的比例分成两路分路光信号，所述第三光功率分路器用于将接收到的分路光信号按照2:3的比例分成两路。
可选的，所述光功率分路器为多模干涉光耦合器、Y型光波导分束器或平面波导型分光器。
可选的，所述光电探测器为结型光电探测器。
可选的，所述预设阈值电压Vth为：V/9<Vth<V/6，其中，V＝＝V1+V2+V3，V1为经所述第一放大器输出的电压信号的幅值，V2为经所述第二放大器输出的电压信号的幅值，V3为经所述第三放大器输出的电压信号的幅值。
为达到上述目的，本发明还提供一种光学PAM-4信号接收机的全光量化方法，包括：
通过光功率分路模块将接收到的PAM-4光信号按照3:2:1的比例分成三路分路光信号并分别通过第一输出端、第二输出端和第三输出端输出；
通过光电转换模块将接收到的所述分路光信号分别转换为电流信号并输出，所述光电转换模块包括第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器；
通过放大模块将接收到的所述电流信号分别放大并将放大后的所述电流信号分别以电压信号的形式输出，所述放大模块包括第一放大器、第二放大器和第三放大器；
通过串行器将接收到的所述电压信号以串行电平信号的形式输出；
通过比较器将接收到的所述串行电平信号根据预设阈值电压转换为二进制代码并输出；以及
通过译码器将接收到的所述二进制代码转换为PAM-4数字信号。
可选的，所述预设阈值电压Vth为：V/9<Vth<V/6，其中，V＝＝V1+V2+V3，V1为经所述第一放大器输出的电压信号的幅值，V2为经所述第二放大器输出的电压信号的幅值，V3为经所述第三放大器输出的电压信号的幅值。
与现有技术相比，本发明提供的光学PAM-4信号接收机和全光量化方法具有以下优点：本发明先通过光功率分路模块将接收到的PAM-4光信号按照3:2:1的比例分成三路并输出，再通过光电转换模块将接收到的分路光信号分别转换为电流信号并输出，再通过放大模块将接收到的电流信号分别放大并将放大后的所述电流信号分别以电压信号的形式输出，再通过串行器将接收到的所述电压信号以串行电平信号的形式输出，再通过比较器将接收到的所述串行电平信号根据预设阈值电压转换为二进制代码并输出，最后通过译码器将接收到的所述二进制代码转换为PAM-4数字信号。可见，本发明通过使用光功率分路模块实现PAM-4信号的量化过程，并根据精确的分光比例设计使得不同路径的比较器阈值电压范围存在交叉区域，从而使得电平的判决可以通过单一比较器实现，由此显著降低了接收机电路设计的复杂度，并且可以有效避免基于T1-ADC接收机中普遍存在的高功耗问题。
附图说明
图1为本发明第一种实施方式的光学PAM-4信号接收机的整体结构示意图；
图2为本发明第二种实施方式的光学PAM-4信号接收机的整体结构示意图；
图3为本发明第三种实施方式的光学PAM-4信号接收机的整体结构示意图；
图4为本发明中的全光PAM-4量化信号的解码过程；
图5为本发明一实施方式的光学PAM-4信号接收机的全光量化方法的流程图。
其中，附图标记如下：
光功率分路模块-100；第一光功率分路器-110；第二光功率分路器-120；第三光功率分路器-130；光电转换模块-200；第一光电探测器-210；第二光电探测器-220；第三光电探测器-230；放大模块-300；第一放大器-310；第二放大器-320；第三放大器-330；串行器-400；比较器-500；译码器-600。
具体实施方式
以下结合附图1至5和具体实施方式对本发明提出的光学PAM-4信号接收机和光学PAM-4信号接收机的全光量化方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
本发明的核心思想在于提供一种光学PAM-4信号接收机和全光量化方法，以改善目前的高速PAM-4信号接收机中面临的高功耗、高电路复杂度的问题，从而可以在光学领域实现量化PAM-4信号的目的，并且大大降低接收机电路设计的复杂度。
为实现上述思想，本发明提供一种光学PAM-4信号接收机，请参考图1至图3，其中图1示意性地给出了本发明第一种实施方式提供的光学PAM-4信号接收机，图2示意性地给出了本发明第二种实施方式提供的光学PAM-4信号接收机，图3示意性地给出了本发明第三种实施方式提供的光学PAM-4信号接收机，如图1至图3所示，所述光学PAM-4信号接收机包括光功率分路模块100、光电转换模块200、放大模块300、串行器400、比较器500和译码器600。
其中，所述光功率分路模块100，用于将接收到的PAM-4光信号按照3:2:1的比例分成三路分路光信号并分别通过第一输出端、第二输出端和第三输出端输出，所述光功率分路模块100包括至少一光功率分路器，所述第一输出端、第二输出端和第三输出端的分路光信号的光功率比为3:2:1。
所述光功率分路器可为多模干涉光耦合器、Y型光波导分束器或平面波导型分光器。光耦合器是可以使传输中的光信号进行耦合，并进行重新分配的无源光器件，光耦合器按照制作工艺以及其主要结构通常可以分为熔拉锥型和波导型两种类型的耦合器，波导型光耦合器因为具有尺寸小、重量轻，而且易于集成等众多优点，已经在集成光学中得到了大幅的应用。多模干涉(MMI)光耦合器作为波导型光耦合器的一种，其具有插入耗损较低，其结果紧凑、制作工艺简单、频带较宽、对偏振不敏感以及容差性好等特点。
如图1所示，在第一种实施方式中，所述光功率分路模块100包括第一光功率分路器110，所述第一光功率分路器110具有一个输入端和三个输出端，其中所述输入端可用于接收光功率为Pin的高速PAM-4光信号，三个所述输出端分别作为所述光功率分路模块100的第一输出端、第二输出端和第三输出端，所述第一光功率分路器110的分光比例为3:2:1。由此通过所述第一光功率分路器110可以将接收到的光功率为Pin的高速PAM-4光信号按照3:2:1的比例分成三路分路光信号，并分别通过三个所述输出端，即所述第一输出端、所述第二输出端和所述第三输出端输出，其中所述第一输出端、所述第二输出端和所述第三输出端的分路光信号的光功率分别为Pin/2、Pin/3、Pin/6。在本实施方式中，所述第一光功率分路器110可为多模干涉光耦合器。
如图2所示，在第二种实施方式中，所述光功率分路模块100包括第二光功率分路器120和第三光功率分路器130，所述第二光功率分路器120和所述第三光功率分路器130均具有一个输入端和两个输出端，所述第二光功率分路器120的一输出端与所述第三光功率分路器130的输入端相连，另一输出端与所述光电转换模块200相连，所述第三光功率分路器130的两输出端均与所述光电转换模块200相连。由此，所述第二光功率分路器120的输入端可用于接收光功率为Pin的高速PAM-4光信号，所述第三光功率分路器130的输入端可用于接收经所述第二光功率分路器120分路后输出的分路光信号。
在本实施方式中，所述第二光功率分路器120的分光比例为1:1，所述第三光功率分路器130的分光比例为2:1。由此，可以通过所述第二光功率分路器120将接收到的光功率为Pin的高速PAM-4光信号先按照1:1的分光比例分成两路分路光信号，这两路分路光信号的光功率均为Pin/2，其中一路分路光信号通过所述第二光功率分路器120的输出端，即所述光功率分路模块100的第一输出端输出至所述光电转换模块200，另一路分路光信号通过所述第二光功率分路器120的另一输出端输出至所述第三光功率分路器130，所述第三光功率分路器130接收到的光功率为Pin/2的分路光信号再按照2:1的分光比例分成两路，这两路分路光信号的光功率分别为Pin/3、Pin/6，其中光功率为Pin/3的分路光信号通过所述第三光功率分路器130的一输出端，即所述光功率分路模块100的第二输出端输出至所述光电转换模块200，光功率为Pin/6的分路光信号通过所述第三光功率分路器130的另一输出端，即所述光功率分路模块100的第三输出端输出至所述光电转换模块200。在本实施方式中，所述第二光功率分路器120和所述第三光功率分路器130可均为多模干涉光耦合器。
如图3所示，在第三种实施方式中，所述光功率分路模块100包括第二光功率分路器120和第三光功率分路器130，所述第二光功率分路器120和所述第三光功率分路器130均具有一个输入端和两个输出端，所述第二光功率分路器120的一输出端与所述第三光功率分路器130的输入端相连，另一输出端与所述光电转换模块200相连，所述第三光功率分路器130的两输出端均与所述光电转换模块200相连。由此，所述第二光功率分路器120的输入端可用于接收光功率为Pin的高速PAM-4光信号，所述第三光功率分路器130的输入端可用于接收经所述第二光功率分路器120分路后输出的分路光信号。
其中，所述第二光功率分路器120的分光比例为1:5，所述第三光功率分路器130的分光比例为2:3。由此，可以通过所述第二光功率分路器120将接收到的光功率为Pin的高速PAM-4光信号先按照1:5的分光比例分成两路分路光信号，这两路分路光信号的光功率分别为Pin/6、5Pin/6，其中光功率为Pin/6的分路光信号通过所述第二光功率分路器120的输出端，即所述光功率分路模块100的第三输出端输出至所述光电转换模块200，光功率为5Pin/6的分路光信号通过所述第二光功率分路器120的另一输出端输出至所述第三光功率分路器130，所述第三光功率分路器130接收到的光功率为5Pin/6的分路光信号再按照2:3的分光比例分成两路，这两路分路光信号的光功率分别为Pin/3、Pin/2，其中光功率为Pin/3的分路光信号通过所述第三光功率分路器130的一输出端，即所述光功率分路模块100的第二输出端输出至所述光电转换模块200，光功率为Pin/2的分路光信号通过所述第三光功率分路器130的另一输出端，即所述光功率分路模块100的第一输出端输出至所述光电转换模块200。在本实施方式中，所述第二光功率分路器120和所述第三光功率分路器130可均为多模干涉光耦合器。
所述光电转换模块200，与所述光功率分路模块100的输出端相连，用于将接收到的分路光信号分别转换为电流信号并输出，所述光电转换模块200包括第一光电探测器210、第二光电探测器220和第三光电探测器230，所述第一光电探测器210与所述第一输出端相连，所述第二光电探测器220与所述第二输出端相连，所述第三光电探测器230与所述第三输出端相连。由此，通过所述第一光电探测器210可以将接收到的光功率为Pin/2的分路光信号转换为幅值为I1的电流信号；通过所述第二光电探测器220可以将接收到的光功率为Pin/3的分路光信号转换为幅值为I2的电流信号；通过所述第三光电探测器230可以将接收到的光功率为Pin/6的分路光信号转换为幅值为I3的电流信号，其中I1:I2:I3＝3:2:1。
所述光电探测器可为结型光电探测器，例如，可以为PN结光电探测器，更进一步地，所述光电探测器可以为锗光电探测器或者其他材料制成的PN结光电探测器。
如图1所述，在第一种实施方式中，所述第一光电探测器210、所述第二光电探测器220和所述第三光电探测器230分别与所述第一光功率分路器110的三个输出端相连，即所述第一光电探测器210与所述光功率分路模块100的第一输出端相连，所述第二光电探测器220与所述光功率分路模块100的第二输出端相连，所述第三光电探测器230与所述光功率分路模块100的第三输出端相连，由此，所述第一光电探测器210、所述第二光电探测器220和所述第三光电探测器230接收到的分路光信号的光功率分别为Pin/2、Pin/3、Pin/6。
如图2所示，在第二种实施方式中，所述第一光电探测器210与所述第二光功率分路器120的一输出端，即所述光功率分路模块100的第一输出端相连；所述第二光电探测器220与所述第三光功率分路器130的一输出端，即所述光功率分路模块100的第二输出端相连；所述第三光电探测器230与所述第三光功率分路器130的另一输出端，即所述光功率分路模块100的第三输出端相连。由此，所述第一光电探测器210、所述第二光电探测器220和所述第三光电探测器230接收到的分路光信号的光功率分别为Pin/2、Pin/3、Pin/6。
如图3所示，在第三种实施方式中，所述第一光电探测器210与所述第三光功率分路器130的一输出端，即所述光功率分路模块100的第一输出端相连；所述第二光电探测器220与所述第三光功率分路器130的另一输出端，即所述光功率分路模块100的第二输出端相连；所述第三光电探测器230与所述第二光功率分路器120的一输出端，即所述光功率分路模块100的第三输出端相连。由此，所述第一光电探测器210、所述第二光电探测器220和所述第三光电探测器230接收到的分路光信号的光功率分别为Pin/2、Pin/3、Pin/6。
所述放大模块300，与所述光电转换模块200的输出端相连，用于分别放大接收到的所述电流信号并将放大后的所述电流信号分别以电压信号的形式输出，所述放大模块300包括第一放大器310、第二放大器320和第三放大器330，所述第一放大器310、第二放大器320和第三放大器330均为跨阻放大器，所述第一放大器310与所述第一光电探测器210的输出端相连，所述第二放大器320与所述第二光电探测器220的输出端相连，所述第三放大器330与所述第三光电探测器230的输出端相连。由此，通过所述第一放大器310可以将接收到的幅值为I1的电流信号进行放大并将放大后的所述电流信号以幅值为V1的电压信号的形式输出；通过所述第二放大器320可以将接收到的幅值为I2的电流信号进行放大并将放大后的所述电流信号以幅值为V2的电压信号的形式输出；通过所述第三放大器330可以将接收到的幅值为I3的电流信号进行放大并将放大后的所述电流信号以幅值为V3的电压信号的形式输出，其中V1:V2:V3＝3:2:1。
所述串行器400，与所述放大模块300的输出端相连，用于将接收到的所述电压信号以串行电平信号的形式输出。如图1至图3所示，所述第一放大器310、所述第二放大器320和所述第三放大器330的输出端分别与所述串行器400相连，由此，通过所述串行器400，可以将接收到的幅值为V1、V2和V3的电压信号以串行电平信号的形式输出。
所述比较器500，与所述串行器400的输出端相连，用于根据预设阈值电压将接收到的所述串行电平信号转换为二进制代码并输出。由此，所述比较器500可根据预设阈值电压对接收到的所述串行电平信号进行判决，将电压高于所述预设阈值电压的电平以高电平的形式输出(即为数字信号1)，将电压值小于所述预设阈值电压的电平以低电平的形式输出(即为数字信号0)。
所述预设阈值电压Vth的计算方法如下：
假设总输出电压为Vout，最大输出电压为V，V＝V1+V2+V3，则：
对应PAM信号0→1的转换电压范围满足：0<Vout<V/3；
对应PAM信号1→2的转换电压范围满足：V/3<Vout<2V/3；
对应PAM信号2→3的转换电压范围满足：2V/3<Vout<V。
假设经所述第一放大器310输出的电压信号的输出电压为Vout1，经所述第二放大器320输出的电压信号的输出电压为Vout2，经所述第三放大器330输出的电压信号的输出电压为Vout3，则Vout＝Vout1+Vout2+Vout3，且Vout1:Vout2:Vout3＝3:2:1，即Vout＝2Vout1＝3Vout2＝6Vout3。
对于经所述第一放大器310输出的电压信号，当PAM信号处于0→1转换之间时，有0<Vout<V/3，即0<2Vout1<V/3，即0<Vout1<V/6；因此，经所述第一放大器310输出的电压信号的比较器500阈值电压应满足：0<Vth1<V/6。
对于经所述第二放大器320输出的电压信号，当PAM信号处于1→2转换之间时，有V/3<Vout<2V/3，即V/3<3Vout2<2V/3，即V/9<Vout2<2V/9；因此，经所述第二放大器320输出的电压信号的比较器500阈值电压应满足：V/9<Vth2<2V/9。
对于经所述第三放大器330输出的电压信号，当PAM信号处于2→3转换之间时，有2V/3<Vout<V，即2V/3<6Vout3<V，即V/9<Vout3<V/6；因此，经所述第三放大器330输出的电压信号的比较器500阈值电压应满足：V/9<Vth3<V/6。
由于，本发明是采用单一比较器500对经所述第一放大器310、所述第二放大器320和所述第三放大器330输出的三路电压信号进行判决，因此这三路电压信号的比较器500的阈值电压范围的交叉区域即为预设阈值电压的选择范围，即Vth1、Vth2和Vth3这三个阈值电压的交叉区域即为预设阈值电压Vth，由此可知，所述预设阈值电压应满足：V/9<Vth<V/6，例如，所述预设阈值电压可以为5V/36。
如图4所示，通过将与所述第一放大器310输出的电压信号对应的电平信号与所述预设阈值电压Vth进行比较，可以得到与所述第一放大器310输出的电压信号相对应的二进制代码b1为“0111110”；通过将与所述第二放大器320输出的电压信号对应的电平信号与所述预设阈值电压Vth进行比较，可以得到与所述第二放大器320输出的电压信号相对应的二进制代码b2为“0111010”，通过将与所述第三放大器330输出的电压信号对应的电平信号与所述预设阈值电压Vth进行比较，可以得到与所述第三放大器330输出的电压信号相对应的二进制代码b3为“0010000”。
所述译码器600，与所述比较器500的输出端相连，用于将接收到的所述二进制代码转换为PAM-4数字信号。由此，通过所述译码器600，可以对接收到的所述二进制代码进行运算，从而将接收到的所述二进制代码转换为PAM-4数字信号。
由于b1、b2、b3的码型与输入的PAM-4信号具有一一对应关系，这三路代码可以作为所述译码器600的输入信号，所述译码器600通过对b1、b2、b3这三路信号进行运算，从而可以将b1、b2、b3这三路信号还原为数字信号B，即PAM-4数字信号。承如背景技术中所述，PAM-4有4种电平，每个电平由2个比特构成，相应的能够传递2个比特的数据信息(00→0、01→1、10→2、11→3)。如图4所示，通过所述译码器600，可以将b1、b2、b3这三路信号还原为数字信号B，即“00101110011000”。
综上所述，本发明提供的光学PAM-4信号接收机，由于具有光功率分路模块、光电转换模块、放大模块、串行器、比较器和译码器，由此可以先通过光功率分路模块将接收到的PAM-4光信号按照3:2:1的比例分成三路并输出，再通过光电转换模块将接收到的分路光信号分别转换为电流信号并输出，再通过放大模块将接收到的电流信号分别放大并将放大后的所述电流信号分别以电压信号的形式输出，再通过串行器将接收到的所述电压信号以串行电平信号的形式输出，再通过比较器将接收到的所述串行电平信号根据预设阈值电压转换为二进制代码并输出，最后通过译码器将接收到的所述二进制代码转换为PAM-4数字信号。可见，本发明通过使用光功率分路模块实现PAM-4信号的量化过程，并根据精确的分光比例设计使得不同路径的比较器阈值电压范围存在交叉区域，从而使得电平的判决可以通过单一比较器实现，电容负载显著降低，由此显著降低了接收机电路设计的复杂度，可以大大简化器件的设计，并且可以有效避免基于T1-ADC接收机中普遍存在的高功耗问题。由于本发明由于量化过程通过光功率分路模块在光子域中完成，比较器的阈值电压恒定，因此降低了对比较器的动态范围要求。此外，由于本发明仅在两个相邻的PAM电平之间进行检测，因此对跨阻放大器的线性度要求显著放宽，使其性能更加稳定。
为实现上述思想，本发明还提供一种光学PAM-4信号接收机的全光量化方法，请参考图5，示意性地给出了本发明一实施方式提供的光学PAM-4信号接收机的全光量化方法，如图5所示，所述方法包括如下步骤：
S101：通过光功率分路模块将接收到的PAM-4光信号按照3:2:1的比例分成三路分路光信号并输出。
所述光功率分路模块包括第一输出端、第二输出端和第三输出端，由此，通过所述光功率分路模块可以将接收到的光功率为Pin的高速PAM-4光信号按照3:2:1的比例分成三路分路光信号并分别通过所述第一输出端、所述第二输出端和所述第三输出端输出，其中，所述第一输出端、所述第二输出端和所述第三输出端的分路光信号的光功率分别为Pin/2、Pin/3、Pin/6。
S102：通过光电转换模块将接收到的所述分路光信号分别转换为电流信号并输出。
由此，通过所述光电转换模块可以将光功率为Pin/2、Pin/3、Pin/6的分路光信号分别转换为幅值为I1、I2、I3的电流信号并输出，其中I1:I2:I3＝3:2:1。
所述光电转换模块可包括第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器，其中，所述第一光电探测器与所述光功率分路模块的第一输出端相连，所述第二光电探测器与所述光功率分路模块的第二输出端相连，所述第三光电探测器与所述光功率分路模块的第三输出端相连，所述第一光电探测器、所述第二光电探测器和所述第三光电探测器接收到的分路光信号的光功率分别为Pin/2、Pin/3、Pin/6，由此，通过所述第一光电探测器可以将接收到的光功率为Pin/2的分路光信号转换为幅值为I1的电流信号；通过所述第二光电探测器可以将接收到的光功率为Pin/3的分路光信号转换为幅值为I2的电流信号；通过所述第三光电探测器可以将接收到的光功率为Pin/6的分路光信号转换为幅值为I3的电流信号。
S103：通过放大模块将接收到的电流信号分别放大并将放大后的所述电流信号分别以电压信号的形式输出。
由此，通过所述放大模块可以将接收到的电流幅值为I1、I2、I3的电流信号分别进行放大并将放大后的所述电流信号分别以幅值为V1、V2和V3的电压信号的形式输出，其中V1:V2:V3＝3:2:1。
所述放大模块包括第一放大器、第二放大器和第三放大器，所述第一放大器、第二放大器和第三放大器均为跨阻放大器，所述第一放大器与所述第一光电探测器的输出端相连，所述第二放大器与所述第二光电探测器的输出端相连，所述第三放大器与所述第三光电探测器的输出端相连。由此，通过所述第一放大器可以将接收到的幅值为I1的电流信号进行放大并将放大后的所述电流信号以幅值为V1的电压信号的形式输出；通过所述第二放大器可以将接收到的幅值为I2的电流信号进行放大并将放大后的所述电流信号以幅值为V2的电压信号的形式输出；通过所述第三放大器可以将接收到的幅值为I3的电流信号进行放大并将放大后的所述电流信号以幅值为V3的电压信号的形式输出。
S104：通过串行器将接收到的所述电压信号以串行电平信号的形式输出。
所述第一放大器、所述第二放大器和所述第三放大器的输出端分别与所述串行器相连，由此，通过所述串行器，可以将接收到的幅值为V1、V2和V3的电压信号以串行电平信号的形式输出。
S105：通过比较器将接收到的所述串行电平信号根据预设阈值电压转换为二进制代码并输出。
由此，所述比较器可根据预设阈值电压对接收到的所述串行电平信号进行判决，将电压高于所述预设阈值电压的电平以高电平的形式输出(即为数字信号1)，将电压值小于所述预设阈值电压的电平以低电平的形式输出(即为数字信号0)。
所述预设阈值电压Vth的计算方法如下：
假设总输出电压为Vout，最大输出电压为V，V＝V1+V2+V3，则：
对应PAM信号0→1的转换电压范围满足：0<Vout<V/3；
对应PAM信号1→2的转换电压范围满足：V/3<Vout<2V/3；
对应PAM信号2→3的转换电压范围满足：2V/3<Vout<V。
假设经所述第一放大器输出的电压信号的输出电压为Vout1，经所述第二放大器输出的电压信号的输出电压为Vout2，经所述第三放大器输出的电压信号的输出电压为Vout3，则Vout＝Vout1+Vout2+Vout3，且Vout1:Vout2:Vout3＝3:2:1，即Vout＝2Vout1＝3Vout2＝6Vout3。
对于经所述第一放大器输出的电压信号，当PAM信号处于0→1转换之间时，有0<Vout<V/3，即0<2Vout1<V/3，即0<Vout1<V/6；因此，经所述第一放大器输出的电压信号的比较器阈值电压应满足：0<Vth1<V/6。
对于经所述第二放大器输出的电压信号，当PAM信号处于1→2转换之间时，有V/3<Vout<2V/3，即V/3<3Vout2<2V/3，即V/9<Vout2<2V/9；因此，经所述第二放大器输出的电压信号的比较器阈值电压应满足：V/9<Vth2<2V/9。
对于经所述第三放大器输出的电压信号，当PAM信号处于2→3转换之间时，有2V/3<Vout<V，即2V/3<6Vout3<V，即V/9<Vout3<V/6；因此，经所述第三放大器输出的电压信号的比较器阈值电压应满足：V/9<Vth3<V/6。
由于，本发明是采用单一比较器对经所述第一放大器、所述第二放大器和所述第三放大器输出的三路电压信号进行判决，因此这三路电压信号的比较器的阈值电压范围的交叉区域即为预设阈值电压Vth的选择范围，因此预设阈值电压Vth为：V/9<Vth<V/6。
S106：通过译码器将接收到的所述二进制代码转换为PAM-4数字信号。
由此，通过所述译码器，可以对接收到的所述二进制代码进行运算，从而将接收到的所述二进制代码转换为PAM-4数字信号。
综上所述，本发明提供的光学PAM-4信号接收机的全光量化方法，先通过光功率分路模块将接收到的PAM-4光信号按照3:2:1的比例分成三路并输出，再通过光电转换模块将接收到的分路光信号分别转换为电流信号并输出，再通过放大模块将接收到的电流信号分别放大并将放大后的所述电流信号分别以电压信号的形式输出，再通过串行器将接收到的所述电压信号以串行电平信号的形式输出，再通过比较器将接收到的所述串行电平信号根据预设阈值电压转换为二进制代码并输出，最后通过译码器将接收到的所述二进制代码转换为PAM-4数字信号。可见，本发明通过使用光功率分路模块实现PAM-4信号的量化过程，并根据精确的分光比例设计使得不同路径的比较器阈值电压范围存在交叉区域，从而使得电平的判决可以通过单一比较器实现，电容负载显著降低，由此显著降低了接收机电路设计的复杂度，可以大大简化器件的设计，并且可以有效避免基于T1-ADC接收机中普遍存在的高功耗问题。由于本发明由于量化过程通过光功率分路模块在光子域中完成，比较器的阈值电压恒定，因此降低了对比较器的动态范围要求。此外，由于本发明仅在两个相邻的PAM电平之间进行检测，因此对跨阻放大器的线性度要求显著放宽，使其性能更加稳定。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
上述描述仅是对本发明较佳实施方式的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种光学PAM-4信号接收机，其特征在于，包括：
光功率分路模块，用于将接收到的PAM-4光信号按照3:2:1的比例分成三路分路光信号并分别通过第一输出端、第二输出端和第三输出端输出，所述光功率分路模块包括至少一光功率分路器，所述第一输出端、第二输出端和第三输出端的分路光信号的光功率比为3:2:1；
光电转换模块，与所述光功率分路模块的输出端相连，用于将接收到的所述分路光信号分别转换为电流信号并输出，所述光电转换模块包括第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器，所述第一光电探测器与所述第一输出端相连，所述第二光电探测器与所述第二输出端相连，所述第三光电探测器与所述第三输出端相连；
放大模块，与所述光电转换模块的输出端相连，用于分别放大接收到的所述电流信号并将放大后的所述电流信号分别以电压信号的形式输出，所述放大模块包括第一放大器、第二放大器和第三放大器，所述第一放大器与所述第一光电探测器的输出端相连，所述第二放大器与所述第二光电探测器的输出端相连，所述第三放大器与所述第三光电探测器的输出端相连；
串行器，与所述放大模块的输出端相连，用于将接收到的所述电压信号以串行电平信号的形式输出；
比较器，与所述串行器的输出端相连，用于根据预设阈值电压将接收到的所述串行电平信号转换为二进制代码并输出；以及
译码器，与所述比较器的输出端相连，用于将接收到的所述二进制代码转换为PAM-4数字信号。
2.根据权利要求1所述的光学PAM-4信号接收机，其特征在于，所述光功率分路模块包括第一光功率分路器，用于将接收到的PAM-4光信号按照3:2:1的比例分成三路分路光信号，所述第一光功率分路器具有三个输出端，分别作为所述第一输出端、第二输出端和第三输出端。
3.根据权利要求1所述的光学PAM-4信号接收机，其特征在于，所述光功率分路模块包括第二光功率分路器和第三光功率分路器，所述第二光功率分路器和所述第三光功率分路器均具有两个输出端，所述第二光功率分路器的一输出端与所述第三光功率分路器的输入端相连，另一输出端与所述光电转换模块相连，所述第三光功率分路器的两输出端均与所述光电转换模块相连。
4.根据权利要求3所述的光学PAM-4信号接收机，其特征在于，所述第二光功率分路器用于将接收到的PAM-4光信号按照1:1的比例分成两路分路光信号，所述第三光功率分路器用于将接收到的分路光信号按照2:1的比例分成两路。
5.根据权利要求3所述的光学PAM-4信号接收机，其特征在于，所述第二光功率分路器用于将接收到的PAM-4光信号按照1:5的比例分成两路分路光信号，所述第三光功率分路器用于将接收到的分路光信号按照2:3的比例分成两路。
6.根据权利要求1所述的光学PAM-4信号接收机，其特征在于，所述光功率分路器为多模干涉光耦合器、Y型光波导分束器或平面波导型分光器。
7.根据权利要求1所述的光学PAM-4信号接收机，其特征在于，所述光电探测器为结型光电探测器。
8.根据权利要求1所述的光学PAM-4信号接收机，其特征在于，所述预设阈值电压Vth为：V/9<Vth<V/6，其中，V＝＝V1+V2+V3，V1为经所述第一放大器输出的电压信号的幅值，V2为经所述第二放大器输出的电压信号的幅值，V3为经所述第三放大器输出的电压信号的幅值。
9.一种光学PAM-4信号接收机的全光量化方法，其特征在于，包括：
通过光功率分路模块将接收到的PAM-4光信号按照3:2:1的比例分成三路分路光信号并分别通过第一输出端、第二输出端和第三输出端输出；
通过光电转换模块将接收到的所述分路光信号分别转换为电流信号并输出，所述光电转换模块包括第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器；
通过放大模块将接收到的所述电流信号分别放大并将放大后的所述电流信号分别以电压信号的形式输出，所述放大模块包括第一放大器、第二放大器和第三放大器；
通过串行器将接收到的所述电压信号以串行电平信号的形式输出；
通过比较器将接收到的所述串行电平信号根据预设阈值电压转换为二进制代码并输出；以及
通过译码器将接收到的所述二进制代码转换为PAM-4数字信号。
10.根据权利要求9所述的光学PAM-4信号接收机的全光量化方法，其特征在于，所述预设阈值电压Vth为：V/9<Vth<V/6，其中，V＝＝V1+V2+V3，V1为经所述第一放大器输出的电压信号的幅值，V2为经所述第二放大器输出的电压信号的幅值，V3为经所述第三放大器输出的电压信号的幅值。
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