CN111240053A - 光电调制器及其光电调制方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种光电调制器及其光电调制方法，用于在微环调制器上增加附加波导实现对光信号的PAM4调制。本申请实施例方法包括：一种光电调制器，所述光电调制器包括微环调制器、第一耦合器、第二耦合器和附加波导；所述微环调制器，用于对光信号进行4电平脉冲幅度调制PAM4的最高有效位MSB调制，所述微环调制器包括环形波导，其中，所述环形波导的一端与所述附加波导的输入端通过所述第一耦合器连接，所述环形波导的另一端与所述附加波导的输出端通过所述第二耦合器连接；所述环形波导和所述附加波导，用于对所述光信号进行所述PAM4的最低有效位LSB调制。

Description

光电调制器及其光电调制方法

技术领域

本申请涉及光学领域，尤其涉及一种光电调制器及其光电调制方法。

背景技术

光电调制器是光纤通信和微光电子技术方面的重要器件，在短距光传输领域，低成本与低功耗为光传输模块的核心竞争力。在各类光电调制器件中，硅光微环调制器由于其尺寸小、功耗低、成本低等特点被广泛关注。

在各种幅度调制方式中，采用4电平脉冲幅度调制(pulse amplitudemodulation,PAM4)的呼声越来越高，该调制方式可以在相同信号带宽下传输更多的数据。目前可以通过硅光微环调制器来实现光信号的PAM4调制，一种硅光微环调制器如图1所示，命名为双环PAM4调制器，调制原理是：光信号经过输入端输入后，一路光进入马赫增德尔(mach–zehnder interferometer，MZI)干涉结构的上臂101，另一路光进入MZI干涉结构的下臂102，双环PAM4调制器分别在上臂101和下臂102位置加入相同的微环103，微环103与上臂101对应的直通波导(或下臂102对应的直通波导)形成微环调制器(micro-ringmodulator，MRM)，通过加入功率不同的射频(radio frequency，RF)信号，驱动两个微环调制器对光信号进行调制。由于微环调制器的滤波性能，需要将微环调制器置于一定温度环境下，从而调节微环调制器的工作波长与输入光信号的波长匹配，匹配完成后一个微环调制器可以进行光信号的最高有效位(most significant bit，MSB)调制，另一个微环调制器可以进行光信号的最低有效位(least significant bit，LSB)的调制，最后两个微环调制器的输出光信号在马赫曾德尔干涉结构的输出口汇合完成PAM4的调制过程。

双环PAM4调制器中两个微环调制器的工作波长一般是不同的，对光信号进行调制时，两个微环调制器的工作波长需要分别与光信号的波长进行匹配，即需要调节两个微环调制器的波长，增加了光电调制器的调制复杂度。

发明内容

本申请的第一方面提供了一种光调制器，该光电调制器包括微环调制器、第一耦合器、第二耦合器和附加波导，其中，微环调制器可以对输入到光调制器的光信号进行PAM4调制，具体调制的是PAM4的最高有效位MSB。

微环调制器包括环形波导，环形波导是输入端与输出端为相同端口的波导，环形波导的一端与附加波导的输入端通过第一耦合器连接，环形波导的另一端与附加波导的输出端通过第二耦合器连接，环形波导的一端和另一端代表环形波导不同的两端，且这两端不是环形波导的输入端或输出端。

附加波导的形状可以为任意形状，只需要满足上述附加波导与环形波导的连接关系即可，例如附加波导为半封闭的弧形波导，由本申请图2所示1/4弧形波导与两段直线型波导组成。

上述环形波导的一端与附加波导的输入端通过第一耦合器连接，环形波导的另一端与附加波导的输出端通过第二耦合器连接的结构，形成了MZI干涉结构，可以对光信号进行PAM4调制，具体为PAM4的最低有效位LSB调制。

本申请实施例具有以下优点：本申请通过微环调制器对光信号进行PAM4的最高有效位MSB调制，并将微环调制器的环形波导的一端与附加波导的输入端通过第一耦合器连接，将微环调制器的环形波导的另一端与附加波导的输出端通过第二耦合器连接，同时，环形波导和附加波导可以对光信号进行PAM4的最低有效位LSB调制。可见，本申请通过在环形波导上增加一段附加波导，从而通过微环调制器完成光信号的MSB调制，而附加波导与微环调制器的环形波导共同完成光信号的LSB调制，由于对光信号进行LSB调制和MSB调制时共用了一段环形波导，在调节光电调制器工作波长与光信号波长匹配时，只需要调节微环调制器的工作波长与光信号波长匹配即可实现光信号的调制，降低了光电调制器的调制复杂度。

基于第一方面，在第一方面的第一种可实现方式中，当光电调制器的消光比达到某一门限值时，微环调制器执行对光信号进行4电平脉冲幅度调制PAM4的最高有效位MSB调制的步骤。

在本实施例中，光电调制器的消光比达到某一门限值可以为光电调制器的消光比达到最大值，也可以为光电调制器的消光比达到预置的一个门限值，且该门限值接近消光比最大值。

在本实施例中，在消光比达到某一门限值时执行PAM4调制，增大了光信号进行PAM4的调制幅度。

基于第一方面的第一种可实现方式，在第一方面的第二种可实现方式中，光电调制器还包括相位调节器件，所述相位调节器件与所述附加波导连接；

相位调节器件，用于在预置角度范围[0,pi]内调节附加波导中传输的光信号与环形波导中传输的传输信号之间的相位差，当相位差变化为θ时，所述微环调制器的消光比达到门限值，其中消光比的大小与相位差的大小可以呈现正态分布。

在本实施例中，对消光比的调节方式进行了说明，增加了方案的可实施性。

基于第一方面及其第一方面的第一种至第二种可实现方式中任一，在第一方面的第三种可实现方式中，加载在微环调制器上进行MSB调制的电压为第一调制电压，所述第一调制电压由第一射频信号产生，加载在附加波导上，以使得附加波导和环形波导组成的MZI结构可以进行LSB调制的电压为第二调制电压，第二调制电压由第二射频信号产生，其中，第一射频信号和第二射频信号是同步产生的，因此MSB的调制和LSB的调制是同步进行的。

在本实施例中，对第一调制电压和第二调制电压的生成方式进行了说明，增加了方案的完整性。

基于第一方面及其第一方面的第一种至第三种可实现方式中任一，在第一方面的第四种可实现方式中，所述环形波导和所述附加波导为掺杂波导。

在本实施例中，通过使用掺杂波导作为环形波导和附加波导，可以实现光信号的高速调制。

基于第一方面及其第一方面的第一种至第三种可实现方式中任一，在第一方面的第五种可实现方式中，环形波导、附加波导、第一耦合器和第二耦合器形成马赫增德尔MZI干涉结构，从而实现对光信号的LSB调制。

在本实施例中，环形波导和附加波导可以形成MZI结构从而实现对光信号的LSB调制，增加了方案的可实施性。

本申请第二方面提供了一种光电调制方法，包括：

光电调制器通过微环调制器对光信号进行4电平脉冲幅度调制PAM4的最高有效位MSB调制，微环调制器包括环形波导，其中，环形波导的一端与所述附加波导的输入端通过所述第一耦合器连接，环形波导的另一端与所述附加波导的输出端通过所述第二耦合器连接，具体连接方式与第一方面所述方式类似，此处不再赘述。

光电调制器通过环形波导与附加波导形成MZI结构，该MZI结构可以对所述光信号进行PAM4的最低有效位LSB调制。

基于第二方面，在第二方面的第一种可实现方式中，当光电调制器的消光比达到某一门限值时，执行通过所述微环调制器对所述光信号进行所述PAM4的MSB调制的步骤。

在本实施例中，门限值的定义与第一方面的第一种可实现方式中定义类似，此处不再赘述。

基于第二方面的第一种可实现方式，第二方面的第二种可实现方式中，光电调制器通过相位调节器件在预置角度范围[0,pi]内调节所述附加波导的传输信号与所述环形波导的传输信号之间的相位差，相位调节器件与附加波导连接；

当所述相位差变化为θ时，确定所述微环调制器的消光比达到所述门限值。

在本实施例中，相位调节器件的定义与第一方面的第二种可实现方式类似，此处不再赘述。

基于第二方面及其第二方面的第一种至第三种可实现方式中任一，在第二方面的第四种可实现方式中，加载在微环调制器上进行MSB调制的电压为第一调制电压，所述第一调制电压由第一射频信号产生，加载在附加波导上，以使得附加波导和环形波导组成的MZI结构可以进行LSB调制的电压为第二调制电压，第二调制电压由第二射频信号产生，其中，第一射频信号和第二射频信号是同步产生的，因此MSB的调制和LSB的调制是同步进行的。

基于第二方面及其第二方面的第一种至第四种可实现方式中任一，在第二方面的第五种可实现方式中，所述环形波导和所述附加波导为掺杂波导。

本申请第三方面提供了一种计算机可读存储介质，包括指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行如第二方面及其第二方面的第一种至第四种可实现方式中任一种可实现方式所述的方法。

本申请第四方面提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如第二方面及其第二方面的第一种至第四种可实现方式中任一种可实现方式所述的方法。

附图说明

图1为现有技术的结构示意图；

图2为本申请光电调制器的一种可能的结构；

图3为本申请光电调制器的另一种可能的结构；

图4为本申请光电调制器的消光比示意图；

图5为本申请光电调制器的光电调制器的归一化光谱响应图；

图6为本申请光电调制方法的一种实施例示意图。

具体实施方式

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，这仅仅是描述本发明的实施例中对相同属性的对象在描述时所采用的区分方式。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，以便包含一系列单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它单元。

如图2所示，本申请提供了一种光电调制器，包括微环调制器、第一耦合器3、第二耦合器6和附加波导5，微环调制器又包括直通波导1、第三耦合器2以及环形波导4。

微环调制器，用于对光信号进行4电平脉冲幅度调制的最高有效位调制。进行PAM4调制的信号脉冲有四种可能的状态，单个脉冲可以传递两比特信息，PAM4码型由四个电平组成，相对于不归零(non-return to zero，NRZ)信号的电平数增加一倍,PAM4信号可以看成是由2路双电平的NRZ的信号合并为一路四电平的PAM4信号，一般两路双电平信号中的一路电平信号幅度较大，作为最高有效位调制信号(most significant bit，MSB)，另一路电平信号幅度较小，作为最低有效位调制信号(least significant bit，LSB)。

在本实施例中，微环调制器可以将光信号进行最高有效位的调制。在微环调制的基础上，本申请增加了附加波导5，附加波导5的输入端通过第一耦合器3与环形波导4的一端连接，附加波导5的输出端通过第二耦合器6与环形波导4的另一端连接，环形波导4是输入端与输出端为相同端口的波导，环形波导4的一端和另一端指代不同的两端，且这两端不是环形波导4的输入端或输出端，从而附加波导5、第一耦合器3、环形波导4以及第二耦合器6形成了一个MZI干涉结构，通过外加第二调制电压在附加波导5上，实现该MZI干涉结构对光信号进行PAM4的最低有效位调制。调制原理是：附加波导5的折射率随着外加第二调制电压的大小发生变化，从而导致附加波导5输出的光信号相位发生变化，进而附加波导5以及环形波导4输出的两路光信号发生干涉后，得到信号强度随第二调制电压变化的光信号。

附加波导的形状可以为任意形状，只需要满足上述附加波导与环形波导的连接关系即可，例如附加波导为半封闭的弧形波导，由本申请图2所示1/4弧形波导与两段直线型波导组成。

下面对本申请的实现方式举例进行说明：例如光信号通过直通波导1进入光电调制器，在微环调制器中完成MSB调制，形成信号幅度为0至1一路光信号，微环调制器中进入环形波导4的那部分光信号又通过第一耦合器3进入附加波导5，附加波导5与环形波导4所形成的MZI结构完成LSB调制,形成信号幅度为1/3至2/3的另一路光信号，最后两路光信号合束后输出PAM4信号。

在本实施例中，加载在微环调制器上的调制电压为第一调制电压，加载在附加波导5上，以使得附加波导5和环形波导4组成的MZI结构可以进行LSB调制的电压为第二调制电压，第一调制电压是由第一射频信号产生的，第二调制电压是由第二射频信号产生的，且第一射频信号和第二射频信号的时钟源是相同的，因此第一射频信号和第二射频信号是同步产生，以便同步进行PAM4的MSB与LSB的调制。第一射频信号和第二射频信号可以由两个射频信号发生器产生。

在本实施例中，环形波导4以及附加波导5可以为掺杂型波导，用于光信号的高速调制。

本申请通过在环形波导4上增加一段附加波导5，从而通过微环调制器完成光信号的MSB调制，而附加波导5与微环调制器的环形波导4共同完成光信号的LSB调制，由于对光信号进行LSB调制和MSB调制时共用了一段环形波导4，在调节光电调制器工作波长与光信号波长匹配时，只需要调节微环调制器的工作波长与光信号波长匹配即可实现光信号的调制，降低了光电调制器的调制复杂度。

基于上述光电调制器的结构，在本申请中，对光信号进行MSB以及LSB调制之前，还需要将光电调制器的消光比进行调节，具体为：

如图3所示，所述光电调制器还包括相位调节器件7，该相位调节器件7可以为加热器也可以称为加热电极，例如可以在附加波导5上设置加热器，利用硅材料的热光效应进行相位调制，通过相位调节器件7调节附加波导中传输的光信号与环形波导中传输的光信号之间的相位差，当该相位差变化为θ时，微环调制器环形腔的损耗满足微环临界耦合条件，消光比也达到最大，θ属于预置角度范围[0,pi]，θ可以是0至pi范围的中心值，也可以是接近该中心值的一个值。消光比最大是一个相对概念，是在调节该相位差的过程中根据消光比变化的曲线得到的最大值，一种可能的情况是消光比大小与相位差的大小呈现正态分布，例如当相位差从0变化为90度时，消光比逐渐增大，相位差从90度变化为180度时，消光比逐渐减小，那么可以认为相位差为90度时消光比是最大的。

在本申请中，消光比达到门限时，就可以对光信号进行MSB以及LSB调制，以增大光信号进行PAM4的调制幅度，该门限值为消光比随相位差变化的正态曲线中接近消光比最大值的一个数值。

如图4所示，在本申请的光电调制器的消光比示意图，当波长为1544nm时，消光比达到最大，约为30db，那么门限值可以在25db-30db间取值。

如图5所示为本申请四个不同电压组合的情况下，本申请的光电调制器的归一化光谱响应图，微环调制器进行最高有效位调制，分别对应产生00和11的电平信号，得到光信号的强度为0至1，环形波导4以及附加波导5所形成的MZI结构进行最低有效位的调制，分别对应产生10和11的电平信号，得到光信号的强度为1/3至2/3。

上面对光电调制器的结构说明，请参照图6，下面对本申请的光电调制方法进行论述。

一种光电调制方法，包括：

601、通过微环调制器，对光信号进行4电平脉冲幅度调制PAM4的最高有效位MSB调制。

光信号输入至光电调制器后，光电调制器通过在微环调制器上外加第一调制电压对光信号进行PAM4的最高有效位MSB调制，其中微环调制器包括环形波导，环形波导的一端与附加波导的输入端通过第一耦合器连接，环形波导的另一端与附加波导的输出端通过第二耦合器连接，环形波导和附加波导按照该方式连接形成MZI结构。

602、通过环形波导和附加波导，对光信号进行PAM4的最低有效位LSB调制。

环形波导和附加波导形成MZI结构后，通过在附加波导上外加第二调制电压实现该MZI结构对光信号进行PAM4的最低有效位LSB调制。

在本实施例中，4电平幅度脉冲调制PAM4的含义、LSB以及MSB的定义与上述图2中对应描述类似，此处不再赘述。

在本实施例中，环形波导和附加波导的具体连接方式，以及对光信号进行PAM4的最低有效位LSB调制的原理与上述图2中对应描述类似，此处不再赘述。

可选的，当光电调制器的消光比达到某一门限值时，执行通过微环调制器对光信号进行PAM4的MSB调制的步骤，以增大光信号进行PAM4的调制幅度。

在本实施例中，调节消光比的方式为：通过相位调节器件在预置角度范围[0,pi]内调节附加波导的传输信号与环形波导的传输信号之间的相位差，从而控制消光比，可能的情况是消光比大小与相位差的大小呈现正态分布，当相位差变化为θ角度时，确定微环调制器的消光比达到门限值。

在本实施例中，相位调节器件具体为加热器，或者称为加热电极，相位调节器件调节消光比的原理与上述图3中对应描述类似，此处不再赘述。

在本实施例中，门限值的定义与上述图3中对应描述类似，此处不再赘述。

可选的，在本实施例中，加载在微环调制器上的调制电压为第一调制电压，加载在附加波导上，以使得附加波导和环形波导组成的MZI结构可以进行LSB调制的电压为第二调制电压，第一调制电压是由第一射频信号产生的，第二调制电压是由第二射频信号产生的，且第一射频信号和第二射频信号的时钟源是相同的，因此第一射频信号和第二射频信号是同步产生，以便同步进行PAM4的MSB与LSB的调制。第一射频信号和第二射频信号可以由两个射频信号发生器产生。

可选的，在本实施例中，环形波导4以及附加波导5可以为掺杂型波导，用于光信号的高速调制。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过专用硬件包括专用集成电路、专用CPU、专用存储器、专用元器件等来实现。一般情况下，凡由计算机程序完成的功能都可以很容易地用相应的硬件来实现，而且，用来实现同一功能的具体硬件结构也可以是多种多样的，例如模拟电路、数字电路或专用电路等。但是，对本申请而言更多情况下软件程序实现是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘、U盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)、磁碟或者光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机或服务器等)执行本申请各个实施例所述的方法。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。

所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存储的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。

Claims (11)

1.一种光电调制器，其特征在于，所述光电调制器包括微环调制器、第一耦合器、第二耦合器和附加波导；

所述微环调制器，用于对光信号进行4电平脉冲幅度调制PAM4的最高有效位MSB调制，所述微环调制器包括环形波导，其中，所述环形波导的一端与所述附加波导的输入端通过所述第一耦合器连接，所述环形波导的另一端与所述附加波导的输出端通过所述第二耦合器连接；

所述环形波导和所述附加波导，用于对所述光信号进行所述PAM4的最低有效位LSB调制。

2.根据权利要求1所述的光电调制器，其特征在于，当所述光电调制器的消光比达到某一门限值时，所述微环调制器执行对光信号进行4电平脉冲幅度调制PAM4的最高有效位MSB调制的步骤。

3.根据权利要求2所述的光电调制器，其特征在于，所述光电调制器还包括相位调节器件，所述相位调节器件与所述附加波导连接；

所述相位调节器件，用于调节所述附加波导的传输信号与所述环形波导的传输信号之间的相位差；

当所述相位差变化为θ时，所述微环调制器的消光比达到所述门限值，所述θ属于预置角度范围[0,pi]。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的光电调制器，其特征在于，所述进行所述MSB调制的电压为第一调制电压，所述第一调制电压由第一射频信号产生；

所述进行所述LSB调制的电压为第二调制电压，所述第二调制电压由第二射频信号产生，其中，所述第一射频信号和所述第二射频信号是同步产生的。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的光电调制器，其特征在于，所述环形波导和所述附加波导为掺杂波导。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的光电调制器，其特征在于，所述环形波导、所述附加波导、所述第一耦合器和所述第二耦合器形成马赫增德尔MZI干涉结构。

7.一种光电调制方法，其特征在于，包括：

通过微环调制器，对光信号进行4电平脉冲幅度调制PAM4的最高有效位MSB调制，所述微环调制器包括环形波导，其中，所述环形波导的一端与所述附加波导的输入端通过所述第一耦合器连接，所述环形波导的另一端与所述附加波导的输出端通过所述第二耦合器连接；

通过所述环形波导和所述附加波导，对所述光信号进行所述PAM4的最低有效位LSB调制。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述光电调制器的消光比达到某一门限值时，执行通过所述微环调制器对所述光信号进行所述PAM4的MSB调制的步骤。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括；

通过相位调节器件调节所述附加波导的传输信号与所述环形波导的传输信号之间的相位差，所述相位调节器件与所述附加波导连接；

当所述相位差变化为θ时，确定所述微环调制器的消光比达到所述门限值，所述θ属于预置角度范围[0,pi]。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述进行所述MSB调制的电压为第一调制电压，所述第一调制电压由第一射频信号产生；

所述进行所述LSB调制的电压为第二调制电压，所述第二调制电压由第二射频信号产生，其中，所述第一射频信号和所述第二射频信号是同步产生的。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述环形波导和所述附加波导为掺杂波导。

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