CN110999074B - 在光通信中利用分光的基于波导延迟的均衡的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

在光通信中利用分光的基于波导延迟的均衡的方法和系统可以包括光电电路，该光电电路包括输入波导、定向耦合器、光延迟器、光电探测器、电流镜和跨阻放大器。光电电路可以经由输入波导来接收输入光信号、使用定向耦合器将输入光信号分成第一和第二输出信号、使用光延迟器延迟第一输出信号、使用第一光电探测器将已延迟的第一输出信号转换为第一电信号、使用第二光电探测器将第二输出信号转换为第二电信号、使用电流镜放大第二电信号、并且在跨阻放大器的输入处对第一电信号和第二电信号求和以产生输出电压。

Description

在光通信中利用分光的基于波导延迟的均衡的方法和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年8月12日提交的美国临时申请62/544,791的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开的方面涉及电子部件。更具体地，本公开的某些实现方式涉及用于在光通信中利用分光的基于波导延迟的均衡的方法和系统。
背景技术
用于信号均衡的常规方法可能是昂贵的、麻烦的和/或低效的，例如，它们可能是复杂的和/或耗时的，和/或可能由于损耗而具有有限的响应度。
通过将这种系统与在如本申请的其余部分中参照附图阐述的本公开的一些方面进行比较，常规和传统方法的进一步限制和缺点对于本领域的技术人员将变得显而易见。
发明内容
基本上如结合至少一个附图所示和/或所描述，如在根据权利要求中更完整地阐述的，提供了用于在光通信中利用分光的基于波导延迟的均衡的系统和方法。
从以下描述和附图中，将更全面地理解本公开的这些和其他优点、方面和新颖特征，以及其示出的实施方式的细节。
附图说明
图1A是根据本公开的示例性实施方式的在光通信中具有使用分光的基于波导延迟的均衡的光子使能集成电路的框图。
图1B是示出根据本公开的示例性实施方式的示例性光子使能集成电路的图。
图1C是示出根据本公开的示例性实施方式的耦合到光纤电缆的光子使能集成电路的图。
图2是示出根据本公开的示例性实施方式的均衡器。
图3是示出根据本公开的示例性实施方式的均衡器的信号加权。
图4是示出根据本公开的示例性实施方式的具有光和电权重控制的单抽头前光标(one-tap precursor)均衡器。
图5A示出了根据本公开的示例性实施方式的单抽头前光标、单抽头后光标均衡器。
图5B示出了根据本公开的示例性实施方式的单抽头前光标、单抽头后光标均衡器的另一示例。
图6示出了根据本公开的示例性实施方式的基于波导延迟的单端至差分电路。
图7示出了根据本公开的示例性实施方式的基于波导延迟的单端至差分电路的另一示例。
具体实施方式
如这里所使用的，术语“电路(circuit)”和“电路(circuitry)”指的是物理电子部件(即硬件)和任何软件和/或固件(“代码”)，所述固件可以配置硬件、由硬件执行，并且或者以其他方式与硬件相关联。如本文中所使用，例如，特定处理器和存储器在执行第一行或多行代码时可包括第一“电路”，且在执行第二行或多行代码时可包括第二“电路”。如本文所用，“和/或”的意思是通过“和/或”连接的列表中的任何一个或多个项目。例如，“x和/或y”的意思是三元素集合{(x)，(y)，(x，y)}中的任何元素。换句话说，“x和/或y”的意思是“x和y中的一个或两个”。如另一示例，“x、y和/或z”的意思是七元素集合{(x)，(y)，(z)，(x，y)，(x，z)，(y，z)，(x，y，z)}中的任何元素。换句话说，“x、y和/或z”的意思是“x、y和z中的一个或多个”。如本文所用，术语“示例性的”的意思是充当非限制性示例、实例或说明。如本文所用，术语“例如”引出了一个或多个非限制性示例、实例或说明的列表。如本文所用的，不管功能的执行是否是不能用的或者不能够实现的(例如，通过用户可配置的设置、工厂调整等)，无论何时电路或装置包括执行该功能所必需的硬件和代码(如果必须的话)，电路或装置都“可操作”以执行该功能。
图1A是根据本公开的示例性实施方式的在光通信中具有使用分光的基于波导延迟的均衡的光子使能集成电路的框图。参考图1A，示出了光子使能集成电路130上的光学和光电器件，该光子使能集成电路130包括光调制器105A至105D、光电二极管111A至111D、监控光电二极管113A至113H、以及包括耦合器103A至103K、光学终端115A至115D、定向耦合器121和光栅耦合器117A至117H的光学装置。还示出了包括放大器107A至107D、模拟和数字控制电路109以及控制部分112A至112D的电子器件和电路。放大器107A至107D可以包括例如跨阻和限幅放大器(TIA/LA)。
在示例性情形中，光子使能集成电路130包括一个或多个CMOS管芯，其中激光器组件101耦合至IC130的顶表面。激光器组件101可以包括具有隔离器、透镜和/或旋转器的一个或多个半导体激光器，以用于将一个或多个连续波(“CW”)光信号引导至耦合器103A。光子使能集成电路130可以包括单个管芯(芯片)，或者可以集成在多个管芯(芯片)上，诸如一个或多个电子管芯和一个或多个光子管芯。
光信号经由在光子使能集成电路130中制造的光波导110，在光学和光电装置之间传送。单模或多模波导可用于光子集成电路。单模操作使能够直接连接至光信号处理和网络元件。术语“单模”可以用于针对两种极化(横向电(TE)和横向磁(TM))中的每一种支持单一模式的波导，或用于真正是单一模式且仅支持其极化为TE的一个模式的波导，该TE包含平行于支持波导的衬底的电场。所使用的两个典型波导截面包括条形波导和脊形波导。条形波导通常包括矩形截面，而脊形波导包括波导板顶部的脊形部分。当然，其他波导截面类型也被考虑到且在本发明的范围内。
在示例性情形中，耦合器103A至103C可以包括低损耗Y分支功率分离器，其中耦合器103A接收来自激光器组件101的光信号并将该信号分成两个分支，这两个分支将光信号引导至耦合器103B和103C，耦合器103B和103C再一次分离光信号，从而产生四个功率大致相等的光信号。
光功率分离器可以包括至少一个输入波导和至少两个输出波导。图1A中所示的耦合器103A至103C示出了1乘2分离器，该1乘2分离器将一个波导中的光功率均匀地分到两个其他的波导中。这些Y分支分离器可以用在光电系统中的多个位置，诸如在Mach-Zehnder干涉仪(MZI)调制器中，例如光调制器105A至105D，其中需要分离器和组合器，因为功率组合器可以是反向使用的分离器。
光调制器105A至105D包括例如Mach-Zehnder或环形调制器，并且使能够调制连续波(CW)激光输入信号。光调制器105A至105D可以包括高速和低速相位调制部分并且受控制部分112A至112D控制。光调制器105A至105D的高速相位调制部分可以利用数据信号调制CW光源信号。光调制器105A至105D的低速相位调制部分可以补偿缓慢变化的相位因子，诸如由波导之间的失配、波导温度或波导应力引起的那些相位因子，并且所述低速相位调制部分称为无源相位或者MZI的无源偏置。
在示例性情形中，高速光相位调制器可以基于自由载波色散效应来进行操作，并且可以证明自由载波调制区域和光学模式之间的高度重叠。在波导中传播的光学模式的高速相位调制是用于高数据速率光通信的几种类型的信号编码的构件块。可能需要几十Gb/s的速度来维持现代光链路中使用的高数据速率，并且可以通过调制跨承载光束的波导放置的PN结的耗尽区来在集成的Si光子学中实现。为了提高调制效率并使损耗最小化，优化了光学模式和PN结耗尽区之间的重叠。
光调制器105A至105D的输出可以经由波导110光耦合至光栅耦合器117E至117H。例如，耦合器103D至103K可以包括四端口光学耦合器，并且可以用于对由光调制器105A至105D生成的光信号进行采样或分离，采样的信号由监控器光电二极管113A至113H测量。定向耦合器103D至103K的未使用分支可以由光学终端115A至115D终止，以避免不想要的信号的背反射。
光栅耦合器117A至117H包括使能够将光耦合进和耦合出光子使能集成电路130的光栅。光栅耦合器117A至117D可以用于将从光纤接收到的光耦合到光子使能集成电路130中，并且光栅耦合器117E至117H可用于将来自光子使能集成电路130的光耦合到光纤中。光栅耦合器117A至117H可以包括单偏振光栅耦合器(SPGC)和/或偏振分离光栅耦合器(PSGC)。在使用PSGC的情况下，可以使用两个输入或输出的波导。
光纤可以被环氧树脂胶合至例如CMOS芯片，并且可以以距光子使能集成电路130表面的法线成一角度对齐，从而优化耦合效率。在示例性实施方式中，光纤可以包括单模光纤(SMF)和/或偏振保持光纤(PMF)。
在图1B所示的另一示例性实施方式中，通过将光源引导至芯片中的光学耦合装置上，诸如光源接口135和/或光纤接口139上，光信号可以直接传送到没有光纤的光子使能集成电路130的表面中。这可以利用倒装接合到光子使能集成电路130的另一芯片上的定向激光源和/或光源来实现。
定向耦合器121可以在一个或多个输入中接收光信号，并将输出的光信号耦合至一个或多个输出。以这种方式，例如，单个光信号可以在两个输出波导110之间分离。此外，定向耦合器121或波导110可以包括光延迟元件，以使能够结合光电二极管111A至111D和放大器107A至107D来实现光均衡。这在参照图3至图7中进一步示出。光电二极管111A至111D可以将经由定向耦合器121从光栅耦合器117A至117D接收到的光信号转换为电信号，该电信号被传送至放大器107A至107D以用于处理。
在以硅芯片实现的接收器子系统中，光通常经由偏振分离光栅耦合器耦合到光电探测器中，该偏振分离光栅耦合器支持有效地耦合光纤模式的所有偏振状态。输入的信号被PSGC按偏振分集方案分离到两个单独的波导中，并且因此使用了波导光电探测器的两个输入。如果需要两个不同的PSGC来耦合至相同的光电探测器中，则光电探测器具有四个单独的波导端口。
模拟和数字控制电路109可以在控制放大器107A至107D的操作中控制增益电平或其他参数，放大器107A至107D然后可以将电信号从光子使能集成电路130中传送出去。控制部分112A至112D包括使能够调制从分离器103A至103C接收的CW激光信号的电子电路。例如，光调制器105A至105D可能需要高速电信号来调制Mach-Zehnder干涉仪(MZI)的各个分支中的折射率。在示例性实施方式中，控制部分112A至112D可以包括宿和/或源驱动器电子器件，该电子器件可以利用单个激光器来实现双向链路。
在操作中，光子使能集成电路130可操作以发送和/或接收并处理光信号。光信号可以由光栅耦合器117A至117D从光纤接收，并由光电探测器111A至111D转换成电信号。例如，电信号可以由放大器107A至107D中的跨阻放大器放大，并随后传送至光子使能集成电路130中的其他电子电路(未图示)。
光子集成平台允许光学收发器的全部功能集成在单个芯片上。光学收发器芯片包含在发送器(Tx)和接收器(Rx)侧上产生和处理光/电信号的光电电路以及光接口，该光接口将光信号耦合至光纤并且耦合来自光纤的光信号。在另一个实施方式中，光子使能集成光子电路130可以被划分到不同的管芯中，在一个或多个管芯上具有电子器件，并且在光子管芯上具有光学和光电器件。信号处理功能可以包括调制光学载波、检测光信号、分离或组合数据流、并且在具有不同波长的载波上复用或解复用数据、以及均衡信号以用于减少和/或消除符号间干扰(ISI)，该符号间干扰可能是光通信系统中的常见损害。
ISI可能由光学系统的信道和/或发送器/接收器引入，并且会限制通信系统的最大速度。均衡器可以用于减轻ISI，并且可以包括基于波导延迟的均衡。均衡器可以利用延迟元件和应用于每个延迟的信号的权重元件，然后可以对延迟的信号求和以用于具有减小的ISI的均衡信号。在示例性情形中，该延迟可以利用光延迟器来实现，并且可以通过电和/或光学装置来实现权重控制。
在示例性情形中，均衡器中的加权可以以光电的方式实现，因为相位调制器可以并入干涉仪的一个或多个臂中，从而产生针对均衡器的主路径和FFE路径的可配置的分离比。
图1B是示出根据本公开的示例性实施方式的示例性光子使能集成电路的图。参考图1B，示出了光子使能集成电路130，其包括电子器件/电路131、光学和光电器件133、光源接口135、芯片前表面137、光纤接口139、CMOS保护环141和表面照明监控光电二极管143。
光源接口135和光纤接口139包括光栅耦合器，例如该光栅耦合器使能够经由CMOS芯片表面137来耦合光信号，这与传统的边缘发送/接收装置下的芯片的边缘相反。经由芯片表面137耦合光信号使能够使用CMOS保护环141，该CMOS保护环141机械地保护芯片并防止污染物经由芯片边缘进入。
例如，关于图1A所述，电子器件/电路131包括诸如放大器107A至107D以及模拟和数字控制电路109的电路。光学和光电器件133包括诸如耦合器103A至103K、光学终端115A至115D、光栅耦合器117A至117H、光调制器105A至105D、高速异质结光电二极管111A至111D和监控光电二极管113A至113I之类的器件。
图1C是示出根据本公开的示例性实施方式的耦合至光纤电缆的光子使能集成电路的图。参考图1C，示出了包括芯片表面137和CMOS保护环141的光子使能集成电路130。还示出了光纤至芯片耦合器145、光纤电缆149以及光源组件147。
可以如关于图1B所述一样，光子使能集成电路130包括电子器件/电路131、光学和光电器件133、光源接口135、芯片表面137和CMOS保护环141。
在示例性实施方式中，例如，光纤电缆可以经由环氧树脂固定在CMOS芯片表面137。光纤芯片耦合器145使光纤电缆149能够物理耦合至光子使能集成电路130。在另一示例性情形中，IC130可以包括一个管芯上的光子器件，诸如光子插入器，以及电子管芯上的电子器件，光子器件和电子器件都可以包括CMOS管芯。
图2示出根据本公开的示例性实施方式的均衡器。参考图2，示出了接收输入信号u(t)的均衡器200，该输入信号u(t)表示原始干净信号，该信号经受信道Tx或Rx的传递函数h(t)，从而产生具有符号间干扰(ISI)的信号，该符号间干扰可能发生在光通信系统中，并且可能限制通信系统的最大速度。
均衡器200包括多个延迟元件203A至203F、乘法器205A至205E、权重函数207A至207E、以及加法器209。均衡器200可以利用延迟元件203A至203F生成具有无意的ISI的原始信号r(t)的延迟形式，从而产生延迟信号s(t)。使用乘法器205A至205E和权重函数207A至207E，利用为正或为负的WN，可以对延迟信号s(t)中的每一个进行独立地加权，并然后使用加法器209求和，以生成输出信号v(t)。理论上，这种结构可以消除通信系统中的所有ISI，尽管在实际情况下可能遇到非理想因素。这些非理想因素可以包括添加至系统的噪声、元件的非线性、延迟元件对符号周期Ts的变化，权重WN可能是不可控的或不精确的，或者总和可能是不精确的。
如关于图3至图7进一步描述，在本公开的示例性实施方式中，权重、延迟和求和元件可以在光学域或光学和电学的组合中实现。
图3示出了根据本公开的示例性实施方式的均衡器的信号加权。参考图3，示出了均衡器300，该均衡器300包括输入波导301A、定向耦合器303、主波导301B和均衡波导301C、光电二极管307A和307B、以及耦合至每一个光电二极管307A和307B的电流镜305A和305B。定向耦合器303可以包括稳定的定向耦合器，该稳定的定向耦合器在耦合器的一个臂中具有稍微增加的长度，以缓解工艺变化或光耦合中的不均匀性的其他原因。
定向耦合器303可以以合理的精度将输入信号λin分离为两个光信号λmain和λeq，并且还可以包括相位调制器310，该相位调制器310包括具有与波导相邻的p和n型区的部分，以用于提供具有偏置的介电常数的改变，并且因此，针对通过相位调制器310传播的光信号，相位改变。输入光信号λin可以由定向耦合器303分成输出信号λmain和λeq，其中λeq可以包括输入信号的百分比X并且λmain包括100-X。
尽管示出了具有两个输出的单个定向耦合器303，但是本公开不限于此，因为可以使用多个定向耦合器来生成多个输出光信号。可以使用光电二极管307A和307B将两个光路λmain和λeq单独地转换成电流信号，并且电流镜305A和305B可以各自放大来自其对应的光电二极管的电流信号。
电流镜305A和305B可以包括两个或更多个CMOS晶体管，其中漏极电流通过第一CMOS晶体管从相关联的光电二极管被镜像至具有公共栅极耦合的第二CMOS晶体管的漏极。电流镜305A和305B在图3中示出为电源电压连接至光电二极管阳极的NMOS装置，但是也可以以地连接至光电二极管阴极的PMOS装置来配置。电流镜可以是简单的电流镜，或者是具有许多器件的复杂电流镜，其中器件以一定比例镜像电流。
电流镜305A和305B的放大可以通过电控制，诸如通过配置电流镜中CMOS晶体管的栅极电压。均衡器300的总权重因此可以利用光学方式和电子方式来实现，即经由定向耦合器303的光学分离以及电流镜305A和305B的电子放大。在加权的光信号转换为电流信号的情况下，可以通过将节点(诸如在电流镜305A和305B的输出处)短接在一起来对电流求和。
此外，具有多个波导输入的一个或多个光电探测器可用于信号求和，如在图3的下插图中的多端口光电探测器307所示，图3包括具有所示出的两个输入的波导光电二极管，尽管其他数量的输入也是可能的。在美国专利申请第15/592774号中更详细地描述了多端口光电探测器，其全部内容通过引用并入本文。
图4示出根据本公开的示例性实施方式的具有光学和电子权重控制的单抽头前光标均衡器。参考图4，示出了均衡器400，该均衡器400包括输入波导401A、主波导401B和FFE波导401C、定向耦合器403、波导延迟器409、一对光电二极管407A和407B、电流镜405和跨阻放大器(TIA)411。定向耦合器403、波导401A至401C、电流镜405、光电二极管407A和407B可以共享关于图3所描述的定向耦合器303、波导301A至301C、电流镜305和光电二极管307、307A和307B的任何和所有方面。
波导延迟器409可以包括适当长度的波导，以用于产生没有显著光功率损耗的精确的延迟。在典型的硅光子系统中，波导延迟器可以包括3mm的波导，其例如可以导致-40ps的延迟，适合于每秒25G符号的信号。TIA411可以包括具有反馈阻抗的增益级，该反馈阻抗包括电阻器、电容性和/或有源元件，从而生成与输入电流IEQ成比例的输出电压。
在图4的示例场景中，可以使用通过电流求和的求和和经由定向耦合器403和电流镜405的权重控制来实现单抽头前光标均衡。定向耦合器403的权重控制可以通过相位调制器410的控制来配置。作为在数据恢复中使用的信号处理技术的一部分，这种电光权重调整允许高精度均衡权重优化。例如，经由恢复位和前一或后一位之间的相关性，可以通过相位调制器410以及通过电流镜405通过调整均衡器的权重来监控和最大化眼开启度。
电流镜类型的权重控制的示例性优点在于，电流镜405可以是可精确调节的，诸如通过控制电流镜405中的栅极电压，以用于前光标抽头的精确权重控制，例如，在TIA 411的输入处电流域中的精确求和是可能的，并且与电域中的延迟相比，可以以较少的变化和所需功率来维持主抽头与前光标抽头之间的精确延迟，即波导延迟器409。
在操作中，输入光信号λIN可以经由输入波导401A传送至定向耦合器403，并且该输入信号的一部分可以经由定向耦合器403传送至输出波导401B和401C中的每一个，其中分离比由定向耦合器403中耦合器的耦合比定义并且通过调整相位调制器410来进一步配置。输出波导401B可用于将定向耦合器403耦合至波导延迟器409并随后耦合至光电二极管407A，而另一输出波导401C直接耦合至光电二极管407B。来自光电二极管407B的所得电信号可以耦合至电流镜405，利用电流镜405的输出IFFE与耦合到输出TIA 411的光电二极管407A的输出IMain之间的电流差IEQ，产生均衡的输出电压VEQ。
如图3的均衡器300一样，诸如通过配置电流镜405中CMOS晶体管的栅极电压，可以电控制均衡器400中电流镜405的放大。因此，均衡器400的总权重可以利用光学方式和电子方式来实现，其中光学方式包括经由定向耦合器403的光学分离并且该光学分离由相位调制器410来调整，其中延迟由波导延迟器409提供，而电子方式包括电流镜405的电放大。在加权的光信号转换为电流信号的情况下，可以通过在TIA 411的输入处耦合两个节点来对电流求和。
提供电流放大的可调电流镜405使可以需要更少的信号从主路径抽头，并且消除了在TIA 411处的电流至电压转换之后的敏感信号路径的额外负载。这种结构还允许均衡被完全断电，并且可以根据需要扩展至附加的均衡抽头。为此，另外的定向耦合器可以与用于每个附加抽头的附加延迟线、电流镜和光电探测器合并，例如，如图2中的多抽头均衡器示意图所示。
图5A示出了根据本公开的示例性实施方式的单抽头前光标、单抽头后光标均衡器。参考图5A，示出了均衡器500，该均衡器500包括波导501A至501E、定向耦合器503A和503B、波导延迟器509A和509B、光电二极管507A和507B、电流镜505、延迟线509A和509B、以及TIA 511。
定向耦合器503A和503B、波导501A至501E、电流镜505、光电二极管507A和507B可以共享关于例如图3和图4所描述的定向耦合器、波导、电流镜和光电二极管的任何和所有方面。定向耦合器503A和503B可以分别各自包括相位调制器510A和510B，以用于配置定向耦合器503A和503B的分离比。以这种方式，均衡器500的加权也可以电光地配置。
波导延迟器509A和509B可以各自包括适当长度的波导，以用于产生没有显著光功率损耗的精确延迟。在示例性情形中，509B的延迟大于509A的延迟，使得能够通过延迟509B路径来进行光标后均衡。TIA 511可以包括具有反馈阻抗的增益级以生成与输入电流IEQ成比例的输出电压，该反馈阻抗包括电阻器、电容性和/或有源元件。
输入光信号λin可以在输入波导501A上被接收，并且该信号的一部分可以被耦合至第一定向耦合器503A的输出波导501B和501C中的每一个，其中比率经由相位调制器510A调谐。一个输出波导501B可以耦合至延迟波导509A并且随后耦合至光电二极管507A。另一个输出波导501C可以利用相位调制器510B耦合至第二定向耦合器503B，以用于配置分离比。第二定向耦合器503B的输出可以经由波导501D耦合至光电二极管507B，并且还经由波导501E耦合至第二波导延迟器509B，该波导501E随后耦合至光电二极管507B。如图5A的下插图所示的示例结构所示出，在该实施方式中，光电二极管507B包括两输入端口的光电二极管。
作为双端口光电二极管，光电二极管507B提供输入光信号λpre和λpst的光学求和。光电二极管507B的电流可以由电流镜505放大/镜像，该电流可以与来自TIA 511处的光电二极管507A的电流求和。电流镜505的输出Ipre+pst和光电二极管507A的输出IMain之间的电流差IEQ可以耦合至输出TIA 511，从而产生均衡的输出电压VEQ。
单抽头前光标、单抽头后光标均衡均衡器500可以利用电流和光学求和两者，并且利用可配置的定向耦合器503A和503B以及电流镜505来提供权重控制。该实施方式的示例性优点在于，诸如通过在电流镜505中配置CMOS晶体管的栅极电压，电流镜505可以是精确可调的以用于前光标抽头的精确权重控制，在光电二极管507A和507B的输出处电流域中的精确求和是可能的，并且与电学域中相比，可以以更少的变化和所需功率来维持主抽头和前光标抽头之间的精确延迟。由相位调制器权重控制提供的另一示例性优点包括高精度均衡权重优化，作为数据恢复中使用的标准信号处理技术的一部分。
如图3和图4的均衡器300和400，可以电控制均衡器500中电流镜505的放大。因此，均衡器500的总权重可以利用光学方式和电子方式来实现，其中光学方式包括经由定向耦合器503A和503B进行的光学分离，具有分离比的电控制，由延迟波导509A和509B提供的延迟，以及由光电二极管507B进行的光学求和，而电子方式包括电流镜505的电放大。在加权的光信号转换为电流信号的情况下，可以通过在TIA 511的输入处将两个节点耦合来对电流求和。
图5A所示实施方式的另一示例性优点是，具有放大倍率的可调电流镜505允许较少的信号从主路径λmain抽头，并且均衡路径可以根据需要完全关闭，从而消除TIA进行电流至电压转换之后的敏感信号路径的额外负载。最后，单抽头前光标、单抽头后光标均衡均衡器500可以利用单个光电二极管/电流镜结构实现多抽头均衡，并且可以根据需要扩展至附加的均衡步骤。为此，另外的定向耦合器可以与针对每个附加抽头的附加延迟线、电流镜和光电探测器合并，例如，如图2中的多抽头均衡器示意图所示。
图5B示出了根据本公开的示例性实施方式的单抽头前光标、单抽头后光标均衡器的另一示例。参考图5B，示出了均衡器550，其包括波导501A至501E、两个定向耦合器503A和503B、两个波导延迟器509A和509B、两个光电二极管507A至507C、电流镜505、延迟线509A和509B以及TIA 511。
定向耦合器503A和503B、波导501A至501E、电流镜505、光电二极管507A至507C可以共享关于图3、图4和图5A所描述的定向耦合器、波导、电流镜和光电二极管的任何和所有方面。定向耦合器503A和503B可以各自分别包括相位调制器510A和510B，以用于配置定向耦合器503A和503B的分离比。用这种方式，均衡器500的加权也可以电光地配置。
波导延迟器509A和509B可以各自包括适当长度的波导，以用于产生没有显著光功率损耗的精确延迟。在示例性情形中，509B的延迟大于509A的延迟，以使得能够通过延迟509B路径进行光标后均衡。TIA 511可以包括具有反馈阻抗的增益级以生成与输入电流IEQ成比例的输出电压，该反馈阻抗包括电阻器和/或有源元件。
在操作中，输入光信号λin可以在输入波导501A上接收，并且该信号的一部分可以耦合至第一定向耦合器503A的输出波导501B和501C中的每一个，其中分离比由相位调制器510A配置。定向耦合器503A的一个输出波导501B可以耦合中至延迟波导509A且随后耦合至光电二极管507A。另一个输出波导501C可以耦合至第二定向耦合器503B，其中分离比由相位调制器510B配置。定向耦合器503B的输出可以经由波导501D耦合至光电二极管507B，并且经由波导501E耦合至第二波导延迟器509B，该耦合器504B的输出随后耦合至光电二极管507C。可以使用软件和/或硬件来处理输出电压VEQ，并随后在各种装置(例如，相位调制器510A/510B和/或电流镜505)处调整权重。
在图5B所示的示例中，与图5A所示的示例相比，多端口光电二极管507B由两个光电二极管507B和507C代替，光电二极管507B和507C的输出电流通过耦合它们的输出端子(在本例中为阴极)来进行求和，并然后由电流镜505镜像。所得到的电流可以与来自TIA511处的光电二极管507A的电流求和。电流镜505的输出Ipre+pst和光电二极管507A的输出IMain之间的电流差IEQ可以耦合至输出TIA 511，从而产生均衡的输出电压VEQ。
单抽头前光标、单抽头后光标均衡均衡器550可以利用电流求和并且利用相位调制器配置的定向耦合器503A和503B以及电控电流镜505来提供权重控制。该实施方式的示例优点在于，相位调制器权重控制提供了高精度均衡权重优化，作为数据恢复中使用的标准信号处理技术的一部分，诸如通过配置电流镜中CMOS晶体管的栅极电压505，电流镜505可以是精确可调的以用于前光标抽头的精确权重控制，在光电二极管507A至507C的输出处电流域中的精确求和是可行的，并且与电学域中相比，可以以更少的变化和所需功率来维持主抽头和前光标抽头之间的精确延迟。
如图3和图4的均衡器300和均衡器400一样，可以电控制均衡器550中电流镜505的放大。因此均衡器550的总权重可以利用光学方式和电子方式来实现，其中光学方式包括经由由相位调制器510A和510B配置的定向耦合器503A和503B的光学分离以及由延迟波导509A和509B提供的光延迟，而电子方式包括电流镜505的电放大以及光电二极管507A至507C的输出电流的电流求和。
图5B所示实施方式的另一示例性优点是具有放大的可调电流镜505允许较少的信号从主路径λmain抽头，因为由相位调制器510A和510B所控制，并且均衡路径可以根据需要完全关闭，从而消除在TIA进行电流至电压转换之后的敏感信号路径的额外负载。可使用软件和/或硬件来处理输出电压VEQ，并随后在各种装置(例如，相位调制器510A/510B、电流镜505和/或TIA 511)处调整权重。
最后，单抽头前光标、单抽头后光标均衡均衡器550可以实现具有多光电二极管/单电流镜结构的多抽头均衡，并且可以根据需要扩展至附加的均衡步骤。为此，另外的定向耦合器可以与用于每个附加抽头的附加延迟线、电流镜和光电探测器合并，例如，如图2中的多抽头均衡器示意图所示。
图6示出了根据本公开的示例性实施方式的基于波导延迟的单端至差分电路。参考图6，示出了均衡器600，其包括输入波导601A、主波导601B和FFE波导601C、定向耦合器603、波导延迟器609、一对光电探测器607A和607B、跨阻放大器(TIA)605A和跨阻放大器605B、以及增益级611。
波导延迟器609可以包括适当长度的波导，以用于产生没有显著光功率损耗的精确延迟。在典型的硅光子系统中，波导延迟器可以包括3mm的波导，例如其可以导致-40ps的延迟，适合于每秒25G符号的信号。TIA605A和605B可以各自包括具有反馈阻抗的增益级以生成与输入电流成比例的输出电压，该反馈阻抗包括电阻器、电容器和/或有源元件。
在操作中，输入光信号λIN可以经由输入波导601A传送至定向耦合器603，并且该输入信号的一部分可以经由定向耦合器603传送至输出波导601B和601C中的每一个。输出波导601B可用于将定向耦合器603耦合至波导延迟器609并随后耦合至光电探测器607A，而另一输出波导601C直接耦合至光电探测器607B。来自光电探测器607B的所得电信号可以耦合至TIA 605B。
光电探测器607A和607B生成的电流可以分别耦合至TIA 605A和605B，TIA 605A和605B可以生成与接收到的光电流IFFE和IMAIN的差值成比例的输出电压。虽然在图6中所示的示例中示出了阳极耦合至电源电压并且阴极耦合至TIA的光电探测器，但是它们可以改为以阴极耦合至地并且阳极耦合至TIA来配置。
增益级611可以放大由TIA 605A和605B生成的电压，从而生成与两个光信号的差成正比的差分输出电压，从而产生输入光信号λIN的均衡形式。
在示例性情形中，在均衡接收的信号时的权重因子可以光学地实现但电学地控制。为此，可以通过控制相位调制器610的偏置来配置定向耦合器603中的分离比。此外，光信号λmain和λffe的电加权可以通过配置TIA605A和605B的增益来实现，因为增益的这种配置因此确定了生成光生电流的光信号的权重。
定向耦合器603将接收到的光信号分成由相位调制器610控制的具有良好精度的两个光信号，而级联定向耦合器可以用于生成多个光信号。这些光路可以相应地由光电探测器转换为电流信号。
在图6的示例性均衡器600中，求和(在这种情况下与负权重W求和)发生在跨阻抗放大之后，即通过增益级611的差分电压放大之后。可以使用TIA 605A将具有光信号λmain的主信号路径转换为单个电压信号。该电压用作耦合至电压放大器增益级611的正电压。每一个加权信号可以转换成电流并然后组合，在这个示例中是λFFE转换成来自光电探测器607B的光生电流。TIA 605B接着用于将所接收的电流转换成电压，该电压可用作差分电压放大器(增益级611)的负电压信号。可选地，TIA 605B的增益可以被调整以进一步调整增益。该电压在增益级611的输出处形成差分电压信号的负电压。
图7示出了根据本公开的示例性实施方式的基于波导延迟的单端至差分电路的另一示例。参考图7，示出了均衡器700包括波导701A至701E、两个定向耦合器703A和703B、两个波导延迟器709A和709B、两个光电二极管707A至707C、电流镜705、延迟线709A和延迟线709B、TIA 711A和TIA 711B、以及增益级713。
定向耦合器703A和703B、波导701A至701E、电流镜705、光电二极管507A至507C、TIA 711A和711B以及增益级713可以共享关于图2至6描述的定向耦合器、波导、光电二极管、TIA和增益级的任何和所有方面。因此，定向耦合器703A和703B包括相位调制器710A和710B，以用于配置其输出处的输出信号的相应幅度，即分离比。虽然在图7中所示的示例示出了阳极耦合至电源电压并且阴极耦合至TIA的光电探测器，但是它们可以改为以阴极耦合至地并且阳极耦合至TIA来配置。
波导延迟器709A和709B可以各自包括适当长度的波导，以用于产生没有显著光功率损耗的精确延迟。在示例性情形中，波导延迟器709B大于波导延迟器709A，以使得能够通过延迟709B路径进行光标后均衡。TIA 711A和711B可以包括具有反馈阻抗的增益级，以生成与输入电流成比例的输出电压，该反馈阻抗包括电阻器、电容性和/或有源元件。
在操作中，输入光信号λin可以在输入波导701A上接收，并且该信号的一部分可以耦合至第一定向耦合器703A的输出波导701B和输出波导701C中的每一个，其中分离比由相位调制器710A调谐。定向耦合器703A的一个输出波导701B可以耦合至延迟波导709A并且随后耦合至光电二极管707A。定向耦合器703A的另一个输出波导701C可以耦合至第二定向耦合器703B，定向耦合器分离比由相位调制器710B配置。定向耦合器703B的输出可以经由波导701D耦合至光电二极管707B，并且经由波导701E耦合至第二波导延迟器709B，该第二波导延迟器709B随后耦合至光电二极管707C。
在图7所示的示例中，两个光电二极管707B和707C生成输出电流，该输出电流通过耦合它们的输出端子(本例中为阴极)来进行求和。然后可以使用TIA 711B将已求和的电流转换为电压。
在图7的示例性均衡器700中，求和(在这种情况下与负权重W求和)发生在跨阻抗放大之后，即通过增益级713的差分电压放大之后。可以使用TIA 711A将具有光信号λmain的主信号路径转换为单个电压信号。该电压用作耦合至电压放大器增益级713的正电压。每个加权信号可以转换成电流并然后被组合，在这个示例中是λpre由光电探测器707B转换成光生电流，而λpst由光电探测器707C转换成光生电流。TIA 711B然后用于将接收到的电流转换成电压，该电压可以用作差分电压放大器(增益级713)的负电压信号。可选地，TIA 711B的增益是可调整的，以进一步调整增益。该电压在增益级713的输出处形成差分电压信号的负电压。
在另一示例性情形中，光电二极管707B和707C可以是多输入光电探测器，该多输入光电检测从两个输入光信号输出光生电流，从而在均衡器700中提供光学求和。
在此示例中，展示了单抽头前光标均衡，其中求和是通过在输出增益级713处的电压求和来进行的，且权重控制是经由由相位调制器710A和位调制器710B来配置的定向耦合器703A和703B以及前光标TIA 711B增益来进行的。例如，可以通过将定向耦合器703A配置为具有耦合至输出波导701C的输入光信号λmain的小部分和耦合至输出波导701B的输入光信号λmain的大部分，来配置加权。可使用软件和/或硬件来处理输出电压，以随后在各种装置(例如，相位调制器710A/710B和/或TIA 711A/711B)处调整权重。
此示例性情形的示例性优点在于，在具有单端TIA结构的单端至差分转换中方便地实现电压求和，对于促进延迟匹配的主抽头和前光标抽头，路径可以在物理上是相同的，该路径与光学求和兼容，并且可以利用定向耦合器703A和703B的精确分离比以及精确TIA711A和711B控制来调整权重。
在本公开的示例性实施方式中，描述了一种用于在光通信中利用分光的基于波导延迟的均衡的方法和系统。该系统可以包括光电电路，该光电电路包括输入波导、定向耦合器、光延迟器、光电探测器、电流镜和跨阻放大器。
光电电路可操作以经由输入波导接收输入光信号，使用定向耦合器将输入光信号分成第一和第二输出信号，使用光延迟器延迟第一输出信号，使用第一光电探测器将延迟的第一输出信号转换为第一电信号，使用第二光电探测器将第二输出信号转换为第二电信号，使用电流镜放大第二电信号，并且在跨阻放大器的输入处对第一和第二电信号求和以产生输出电压。光电电路可操作以使用第二定向耦合器将第二输出信号分成第三和第四输出信号。
光电电路可操作以使用第二光延迟器来延迟第四光信号。第一和第二光电探测器可以包括多端口光电二极管的不同的输入端口。光电电路可操作以使用定向耦合器中的相位控制来配置第一和第二输出信号之间的分离比。光电电路可操作以利用使用光延迟的光加权和通过控制电流镜的电加权，向接收到的输入信号提供均衡。
在本公开的另一示例性实施方式中，描述了一种用于光通信中利用分光的基于波导延迟的均衡的方法和系统。该系统可以包括光电电路，该光电电路包括输入波导、定向耦合器、光延迟器、光电探测器、跨阻放大器和输出增益级。
光电电路可操作以经由输入波导接收输入光信号、使用定向耦合器将输入光信号分成第一和第二输出信号，使用光延迟器延迟第一输出信号，使用第一光电探测器将延迟的第一输出信号转换为第一电流，使用第二光电探测器将第二输出信号转换为第二电流，使用第一跨阻放大器和第二跨阻放大器将第一电流和第二电流转换为第一电压和第二电压、并且使用输出增益级基于第一电压和第二电压来产生差分输出电压。
光电电路可操作以使用第二定向耦合器将第二输出信号分成第三和第四输出信号。光电电路可操作以使用第二光延迟器来延迟第四光信号。第一和第二光电探测器可以包括多端口光电二极管的不同的输入端口。光电电路可操作以在定向耦合器中使用相位控制来配置第一和第二输出信号之间的分离比。光电电路可操作以利用使用光延迟的光加权和通过控制电流镜的电加权，来向接收到的输入信号提供均衡。
虽然已经参考某些实施方式描述了本公开，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以替换等同物。另外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明不限于所公开的特定实施方式，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施方式。

Claims (24)

1.一种用于通信的方法，所述方法包括：
在包括定向耦合器、光延迟器、光电探测器、电流镜和跨阻放大器的光电电路中：
在所述定向耦合器处接收输入光信号；
使用所述定向耦合器将所述输入光信号分成第一输出信号和第二输出信号；
使用所述光延迟器来延迟所述第一输出信号；
使用第一光电探测器将已延迟的所述第一输出信号转换为第一电信号；
使用第二光电探测器将所述第二输出信号转换为第二电信号；
使用所述电流镜放大所述第二电信号；以及
在所述跨阻放大器的输入处对所述第一电信号和所述第二电信号求和以生成输出电压。
2.根据权利要求1所述的方法，包括使用第二定向耦合器将所述第二输出信号分成第三输出信号和第四输出信号。
3.根据权利要求2所述的方法，包括使用第二光延迟器来延迟第四光信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器包括多端口光电二极管的不同的输入端口。
5.根据权利要求1所述的方法，包括在所述定向耦合器中使用相位控制来配置所述第一输出信号和所述第二输出信号之间的分离比。
6.根据权利要求1所述的方法，包括使用光延迟、光加权和通过控制所述电流镜的电加权来向接收到的输入光信号提供均衡。
7.一种用于通信的系统，所述系统包括：
光电电路，包括定向耦合器、光延迟器、光电探测器、电流镜和跨阻放大器，所述光电电路可操作以：
在所述定向耦合器处接收输入光信号；
使用所述定向耦合器将所述输入光信号分成第一输出信号和第二输出信号；
使用所述光延迟器来延迟所述第一输出信号；
使用第一光电探测器将已延迟的所述第一输出信号转换为第一电信号；
使用第二光电探测器将所述第二输出信号转换为第二电信号；
使用所述电流镜放大所述第二电信号；以及
在所述跨阻放大器的输入处对所述第一电信号和所述第二电信号求和以生成输出电压。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述光电电路可操作以使用第二定向耦合器将所述第二输出信号分成第三输出信号和第四输出信号。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述光电电路可操作以使用第二光延迟器来延迟第四光信号。
10.根据权利要求7所述的系统，其中，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器包括多端口光电二极管的不同的输入端口。
11.根据权利要求7所述的系统，其中，所述光电电路可操作以在所述定向耦合器中使用相位控制来配置所述第一输出信号和所述第二输出信号之间的分离比。
12.根据权利要求7所述的系统，其中，所述光电电路可操作以使用光延迟、光加权和通过控制所述电流镜的电加权来向接收到的所述输入光信号提供均衡。
13.一种用于通信的方法，所述方法包括：
在包括定向耦合器、光延迟器、光电探测器、跨阻放大器和输出增益级的光电电路中：
在所述定向耦合器处接收输入光信号；
使用所述定向耦合器将所述输入光信号分成第一输出信号和第二输出信号；
使用所述光延迟器来延迟所述第一输出信号；
使用第一光电探测器将已延迟的所述第一输出信号转换为第一电流；
使用第二光电探测器将所述第二输出信号转换为第二电流；
使用第一跨阻放大器和第二跨阻放大器将所述第一电流和所述第二电流转换为第一电压和第二电压；以及
使用所述输出增益级基于所述第一电压和所述第二电压来生成差分输出电压。
14.根据权利要求13所述的方法，包括使用第二定向耦合器将所述第二输出信号分成第三输出信号和第四输出信号。
15.根据权利要求14所述的方法，包括使用第二光延迟器来延迟第四光信号。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器包括多端口光电二极管的不同的输入端口。
17.根据权利要求13所述的方法，包括在所述定向耦合器中使用相位控制来配置所述第一输出信号和所述第二输出信号之间的分离比。
18.根据权利要求13所述的方法，包括使用光延迟、光加权和电加权来向接收到的所述输入光信号提供均衡。
19.一种用于通信的系统，所述系统包括：
光电电路，包括定向耦合器、光延迟器、光电探测器、跨阻放大器和输出增益级，所述光电电路可操作以：
在所述定向耦合器处接收输入光信号；
使用所述定向耦合器将所述输入光信号分成第一输出信号和第二输出信号；
使用所述光延迟器来延迟所述第一输出信号；
使用第一光电探测器将已延迟的所述第一输出信号转换为第一电流；
使用第二光电探测器将第二输出信号转换为第二电流；
使用第一跨阻放大器和第二跨阻放大器将所述第一电流和所述第二电流转换为第一电压和第二电压；以及
使用所述输出增益级基于所述第一电压和所述第二电压生成差分输出电压。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述光电电路可操作以使用第二定向耦合器将所述第二输出信号分成第三输出信号和第四输出信号。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述光电电路可操作以使用第二光延迟器来延迟第四光信号。
22.根据权利要求19所述的系统，其中，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器包括多端口光电二极管的不同的输入端口。
23.根据权利要求19所述的系统，其中，所述光电电路可操作以在所述定向耦合器中使用相位控制来配置所述第一输出信号和所述第二输出信号之间的分离比。
24.根据权利要求19所述的系统，其中，所述光电电路可操作以使用光延迟、光加权和电加权来向接收到的输入信号提供均衡。
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