CN112041733B - 光环电路和光环调制器 - Google Patents

光环电路和光环调制器 Download PDF

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Abstract

一种用于将来自光源的光调制为光信号的光环电路，包括：环调制器，被安置在波导的附近以耦合在所述波导中传播的光，所述环调制器包括一对电极；信号发生器，发送与所述光信号相对应的电信号；滤波器电路，产生输出信号，其中，所述滤波器电路包括加法器单元以及具有延迟单元和系数单元的至少一个抽头单元，其中，所述加法器单元将来自所述信号发生器的电信号和从所述抽头单元传递的信号相加，以用于用所述延迟单元的至少两倍的延迟时间来对所述电信号的信号分量进行预补偿；以及驱动器电路，基于所述输出信号将电压施加于所述电极。

Description

光环电路和光环调制器
技术领域
本发明总体上涉及具有电滤波器的光环电路。
背景技术
马赫曾德尔(Mach-Zehnder)调制器是用于高速光通信的广泛使用的调制器，并且就调制特性而言几乎是理想的。基本原理是积累沿着mm长马赫曾德尔臂的相移，该相移决定其非常大的占用空间。尽管它们没有相干光带宽限制，但是它们的非常长的波导以及一对3dB耦合器造成大的光损耗。
另一方面，光环调制器是紧凑的调制器，并且适合于光子集成电路。在这些调制器中，可以通过腔谐振效应来放大相移，而不依赖于长距离传播。然而，环调制器由于换调制器的记忆效应而遭遇后缘失真，因为在调制期间光在环中再循环，并且即使在调制信号消失之后，少量调制的输出仍存在，这引起来自后缘的信号失真。
对信号失真的补偿可以在接收器侧解决。然而，由于模数转换器的有限范围和随后的信号处理电路，严重失真的信号不能被完全补偿。接收器侧补偿还大大地增加噪声的频率分量的一部分，这导致信号质量降低。因此，非常可取的是在使对于接收器侧的补偿的依赖性最小化时，在发送器侧进行预补偿。
发明内容
本公开的一些实施例是基于信号尾部中的光环电路输出信号失真可以通过包含缓慢地变化的信号的电信号输入来补偿的认识。
根据本公开的一些实施例，电输入信号可以由无限脉冲响应滤波器(IIR滤波器)或有限脉冲响应滤波器(FIR滤波器)产生。
将参照附图来进一步说明目前公开的实施例。所示的附图不一定是按比例的，而是重点一般被放在例示说明目前公开的实施例的原理上。
将参照附图来进一步说明目前公开的实施例。所示的附图不一定是按比例的，而是重点一般被放在例示说明目前公开的实施例的原理上。
附图说明
图1A示出包括光环调制器和电IIR滤波器的光调制电路的示意图。
图1B示出光环调制器的示意图。
图2是IIR滤波器电路的示意图。
图3是当单个脉冲被施加时IIR电路的输出(响应)。
图4是具有两个延迟单元和两个系数单元的IIR滤波器电路的示意图。
图5是具有两个抽头单元的FIR电路的示意图。
图6是当单个脉冲被施加时FIR电路的输出。
图7是具有两个四个延迟单元和五个系数单元的FIR电路的示意图。
图8是具有两个4个延迟单元和5个系数单元的IIR电路的输出。
图9示出当阶跃函数电压被施加于环调制器时的光信号响应。
图10示出在预补偿电路被应用于光环调制器之后的预期的电信号。
具体实施方式
虽然以上标识的附图阐述了目前公开的实施例，但是如讨论中指出的，也设想其他实施例。本公开通过代表而非限制的方式呈现说明性的实施例。本领域技术人员可以想出落在目前公开的实施例的原理的范围和精神内的许多其他的修改和实施例。
以下描述仅提供了示例性实施例，而非意图限制本公开的范围、适用性或配置。相反，示例性实施例的以下描述将为本领域技术人员提供使得能够实现一个或多个示例性实施例的描述。设想在不脱离如所附权利要求书中阐述那样公开的主题的精神和范围的情况下，在元素的功能和布置上可以做出的各种改变。
在以下描述中给出了特定的细节来提供实施例的透彻的理解。然而，本领域的普通技术人员可以理解实施例可以在没有这些特定的细节的情况下实施。例如，所公开的主题中的系统、处理和其他元件可以被示为框图形式的组件以便不会在不必要的细节上使实施例模糊。在其他情况下，众所周知的处理、结构和技术能够以没有不必要的细节的方式示出，以便避免使实施例模糊。此外，各图中的相似的标号和指定指示相似的元件。
此外，单个的实施例可以被描述为被描绘为流程图表、流程图、数据流程图、结构图或框图的处理。尽管流程图表可以将操作描述为顺序的处理，但是所述操作中的许多操作可以并行或同时执行。另外，所述操作的次序可以重排。处理可以在其操作完成时终止，但是可以具有图中没有讨论或包括的附加步骤。此外，不是所有具体描述的处理中的操作都可以在所有的实施例中发生。处理可以对应于方法、函数、进程、子例程、子程序等。当处理对应于函数时，该函数的终止可以对应于该函数向调用函数或主函数的返回。
此外，所公开的主题的实施例可以至少部分手动地或自动地实现。可以通过使用机器、硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或它们的任何组合来执行或者至少部分辅助手动或自动实现。当用软件、固件、中间件或微代码实现时，执行必要的任务的程序代码或代码段可以被存储在机器可读介质中。(一个或多个)处理器可以执行该必要的任务。
图1A示出光环电路100的示意图。光源10是提供光束的装置。输入波导20引导该光束。
光环电路100将来自光源10的光调制为光信号。
信号发生器40生成电信号。所述电信号对应于所述光信号。
电滤波器电路50从所述电信号产生输出信号。电滤波器电路50可以包含延迟单元52、系数单元(也被称为系数倍增器)53和加法器单元51。加法器单元将来自信号发生器40的电信号和从抽头单元传递的信号相加。这里，电滤波器电路50被描述为IIR(无限脉冲响应)滤波器，但是本发明不限于IIR滤波器，并且FIR(有限脉冲响应)滤波器可以被应用。驱动器电路60放大来自电滤波器电路50的输出信号。驱动器电路60根据输出信号，将电压施加于电极31和32。
光环调制器30对来自光源10的光束进行调制。光环调制器30是紧凑的调制器，并且适合于光子集成电路。在调制器30中，可以通过腔谐振效应来执行相移，而不依赖于长距离传播。调制器电极31和32对光环调制器30的折射率进行调制。光环调制器30安置在波导20的附近以耦合在波导20中传播的光。光调制器具有一对电极31和32。定向耦合器35是光环调制器30的一部分。
下面将描述来自信号发生器40的信号的流程。信号发生器40产生与将经由光调制电路100发送的数据相对应的电信号。电滤波器电路50从信号发生器40接收电信号，并且将这些电信号修改为输出信号。
输出信号(经修改的信号)包括一系列信号(例如，图3中的信号711-720)，在该系列信号中，它们中的第一个信号强于其他的信号，并且第一个信号后面的信号按时间的间隔变弱。驱动器电路60从电滤波器电路50接收输出信号。
驱动器电路60馈送接收的输出信号以施加于光环调制器30的一对电极31和32。在这种情况下，驱动器电路60通过电路径80转换为用于环调制器30的信号振幅水平和阻抗，调制电压被施加于调制器电极31和32。
图1B是光环调制器30的放大图。来自光源10的光通过输入波导20，并且通过定向耦合器35，该光的一部分被耦合到光环30中。光环调制器30的折射率通过两个调制器电极31和32之间的施加的电压而被调制，从而修改光循环回到定向耦合器35时的干涉条件。光环调制器30可以是，但不限于，载流子消耗调制器、载流子注入调制器、量子限制斯塔克效应调制器的类型。
光环调制30的半径对于硅波导通常为20μm到100μm，对于InP/InGaAsP波导通常为50μm到200μm，对应于1ps到10ps的数量级的往返时间。因此，长尾可以为几十到几百皮秒的数量级。环半径和调制速度权衡折中。光环调制器30越小，调制速度越高。然而，同时，光调制器环30的长度越短，因此需要越高的调制电压。因此，可取的是具有更大的环半径以使得调制器电压可以降低。
环的形状不限于圆形形状。它可以是椭圆形形状，使得定向耦合器可以具有两个直的平行的波导。
图2是IIR滤波器电路50A的示意图。IIR滤波器电路50A具有加法器单元61、延迟单元62和系数单元63(为方便起见，一个延迟单元61和一个系数单元63被称为抽头(tap)单元)。延迟单元62接收来自加法器单元61的电信号并且使该电信号延迟。系数单元63接收来自延迟单元62的信号，并且将预定系数与来自延迟单元62的信号相乘。加法器单元61接收来自信号发生器40的电信号以及来自系数单元63的信号，并且将来自信号发生器40的电信号和来自系数单元63的信号相加。
(图1A中的)驱动器电路60从IIR滤波器电路50A接收输出信号。在该例子中，电信号首先被延迟单元62修改，然后被系数单元63修改。但是本发明不限于此，并且次序可以反过来。例如，加法器单元61将来自信号发生器40的电信号与从包括延迟单元61和一个系数单元63的抽头单元传递的信号相加，以用于用延迟单元62的至少两倍的延迟时间对信号发生器40的电信号的信号分量进行预补偿。
图3是当单个脉冲被施加时IIR电路50A的输出信号，其中，示出了未延迟的信号711和延迟的信号712、713…720，延迟时间70对应于延迟单元62的延迟时间。在这种情况下，IIR滤波器电路50A操作足以对光环调制器的具有长尾的信号进行预补偿。
该配置的优点是光环调制器30小于马赫曾德尔调制器。而且，电信号通过电滤波器电路50，以补偿光调制器特性，并且产生期望的光信号。
图4是IIR滤波器电路50C的示意图。IIR滤波器电路50C具有两个延迟单元82、84、两个系数单元83、85以及一个加法器单元81。延迟单元82接收来自信号发生器40的电信号，并且使该电信号延迟。系数单元83接收来自延迟单元82的信号，并且将预定系数与来自延迟单元82的信号相乘。延迟单元84接收来自延迟单元82的信号，并且使该信号延迟。系数单元85接收来自延迟单元84的信号，并且将预定系数与来自延迟单元84的信号相乘。加法器单元61接收来自信号发生器40的电信号、来自系数单元83的信号和来自系数单元85的信号，并且将来自信号发生器40的电信号、来自系数单元83的信号和来自系数单元85的信号相加。系数单元81和85的系数可以是不同的。
滤波器电路50C具有两个或更多个抽头单元和加法器81、抽头单元。第一抽头单元包括延迟单元82和系数单元83，第二抽头单元包括延迟单元84和系数单元85)被并联布置。
通过使用如图4所示的滤波器，电信号可以通过系数单元83和85中的两个可调参数以及两个延迟单元82和84来控制。因此，与图2所示的相比，调制器响应可以利用附加的更长的响应时间分量来更精确地补偿。
图5是FIR电路50C的示意图。FIR电路50C产生输出信号。
IIR滤波器电路50C具有一个延迟单元42、两个系数单元43和44以及一个加法器单元41。系数单元44接收来自信号发生器40的电信号(未延迟的信号)，并且将预定系数与来自信号发生器40的电信号相加。延迟单元42接收来自信号发生器40的电信号(未延迟的信号)，并且使该电信号延迟。系数单元43接收来自延迟单元42的信号，并且将预定系数与来自延迟单元42的信号相乘。加法器单元41接收来自系数单元43和系数单元44的电信号，并且将这些电信号相加。
FIR滤波器电路50A是具有良好的稳定性的简单的滤波器。然而，它具有有限的补偿能力。
FIR电路50C具有加法器单元41、第一系数单元43、以及具有延迟单元42和第二系数单元43的至少一个抽头单元。加法器单元41将从信号发生器40和第一系数单元44传递的信号与从信号发生器40和抽头单元(加法器42和系数单元43)传递的信号相加。
图6是当单个脉冲被施加时FIR电路50C的输出信号，其中，示出了未延迟的信号510和延迟的信号520，并且延迟时间500对应于延迟单元42的延迟时间。如该图中所指示的，输出示出这种类型的滤波器可以产生两个阶跃补偿，并且不足以对具有长尾输出的光环调制器进行预补偿，考虑到光信号尾部可以为几十到几百皮秒的数量级，而单个电延迟可以为10-20ps的数量级。
图7是FIR电路50D的示意图。FIR电路50D具有四个延迟单元、五个系数单元和一个加法器单元。
延迟单元915接收来自信号发生器40的电信号，并且使该电信号延迟。延迟单元919接收来自延迟单元915的电信号，并且使该电信号延迟。延迟单元921接收来自延迟单元919的电信号，并且使该电信号延迟。延迟单元923接收来自延迟单元921的电信号，并且使该电信号延迟。
另一方面，系数单元916接收来自信号发生器40的电信号，并且将预定系数与来自信号发生器40的电信号相乘。系数单元918接收来自延迟单元915的电信号，并且将预定系数与来自延迟单元915的电信号相乘。系数单元920接收来自延迟单元919的电信号，并且将预定系数与来自延迟单元919的电信号相乘。系数单元922接收来自延迟单元921的电信号，并且预定系数与来自延迟单元921的电信号相乘。系数单元924接收来自延迟单元923的电信号，并且将预定系数与来自延迟单元923的电信号相乘。加法器单元911接收来自系数单元916、918、920、922和924的电信号，并且将这些电信号相加。在这种情况下，系数的幅值被解释为系数单元916>系数单元918>系数单元920>系数单元922>系数单元922，但是本发明不受限于此。
FIR电路50D具有两个或更多个抽头单元。第一系数单元916和抽头单元(延迟单元915和系数单元918、延迟单元919和系数单元920、延迟单元921和系数单元922、以及延迟单元923和系数单元924的对)被并联布置。
图8是当单个脉冲被施加时FIR电路50D的输出，其中，示出了未延迟的信号1011和延迟的信号1012、1013、1014和1015，延迟时间1000对应于延迟单元915、919、921和923的延迟时间D。
FIR电路50D具有在每个延迟单元后面的系数单元，它们可以产生具有更长时间段的信号。因此，与FIR滤波器电路50A相比，它可以以更大的自由度来补偿长得多的时间响应，以调整每个时隙时的振幅。
图9是当阶跃函数电压被施加于环调制器时的光信号响应。输出光信号首先在t＝t0时增加I0，并且在往返时间Δt2之后，在t＝t1时增加I1，依此类推。输出信号可以用包络函数f2来表示。
即使图9示出了上升沿阶跃函数输入电压的例子，对于下降沿阶跃函数电压也可以获得类似的图。在这种情况下，该图是图9的垂直镜像图像。
以上例子示出了阶跃函数输入，然而，在真实的通信中，输入信号是上升沿信号和下降沿信号的混合。这包括非归零(NRZ)和多级脉冲振幅调制(PAM)信号，诸如PAM4或PAM8。该长尾与几个连续的脉冲重叠，引起信号失真，并且引起严重的眼图闭合(eye closure)，尤其是对于PAM4和PAM8信号。
图10是将被施加于具有预补偿的光环调制器的预期的电信号。电信号的包络函数f3需要接近f2的垂直镜像图像。在这种情况下，光信号输出几乎等于阶跃函数。时间阶跃Δt3与延迟单元中的时间延迟D是相同的。Δt3通常可以为10-20ps，对应于56-112GBd调制速度。
即使图10示出了上升沿阶跃函数的例子，对于下降沿阶跃函数电压也可以获得类似的图。
利用该示例电路，可以产生五个连续的具有衰减的振幅的脉冲。这意味着，由光环调制器内的再循环光引起的失真可以利用FIR滤波器被预补偿到某个程度。通过进一步增加抽头的数量，可以实现更精确的预补偿。
尽管我们已经讨论了使用光环调制器作为例子，但是上述预补偿技术可以被应用于盘谐振器以及光环调制器的组合。

Claims (6)

1.一种用于将来自光源的光调制为光信号的光环电路，包括：
环调制器，所述环调制器被安置在波导的附近以耦合在所述波导中传播的光，所述环调制器包括一对电极；
信号发生器，所述信号发生器发送与所述光信号相对应的电信号；
无限脉冲响应滤波器电路，所述无限脉冲响应滤波器电路产生输出信号，其中，所述无限脉冲响应滤波器电路包括加法器单元以及具有延迟单元和系数单元的至少一个抽头单元，其中，所述加法器单元被配置为接收来自所述信号发生器的未延迟的电信号和通过所述至少一个抽头单元中的延迟单元和系数单元传递的经修改的反馈信号，并将所述未延迟的电信号和所述经修改的反馈信号相加，以用于用所述延迟单元的至少两倍的延迟时间来对所述电信号的信号分量进行预补偿；以及
驱动器电路，所述驱动器电路基于所述输出信号将电压施加于所述电极，
其中，所述延迟时间是所述加法器单元接收的所述未延迟的电信号与所述加法器单元作为所述反馈信号接收的最初的反馈信号之间的时间差。
2.根据权利要求1所述的光环电路，其中，所述无限脉冲响应滤波器电路包括具有一个或多个抽头单元的无限脉冲响应滤波器。
3.根据权利要求1所述的光环电路，其中，所述无限脉冲响应滤波器电路包括具有两个或更多个抽头单元的无限脉冲响应滤波器，其中，所述两个或更多个抽头单元被并联布置。
4.一种用于将来自光源的光调制为光信号的光环调制器，包括：
环调制器，所述环调制器被安置在波导的附近以耦合在所述波导中传播的光，所述环调制器包括一对电极；
信号发生器，所述信号发生器发送与所述光信号相对应的电信号；
有限脉冲响应滤波器电路，所述有限脉冲响应滤波器电路产生输出信号，其中，所述有限脉冲响应滤波器电路包括加法器单元、第一系数单元以及具有延迟单元和第二系数单元的至少一个抽头单元，其中，所述加法器单元被配置为接收来自所述信号发生器的信号、从所述第一系数单元传递的第一经修改的信号、以及从所述至少一个抽头单元中的延迟单元和第二系数单元传递的第二经修改的信号，并将来自所述信号发生器的信号、所述第一经修改的信号以及所述第二经修改的信号相加，以用于用所述延迟单元的至少两倍的延迟时间来对所述电信号的信号分量进行预补偿；以及
驱动器电路，所述驱动器电路基于所述输出信号将电压施加于所述电极，
其中，所述延迟时间是所述加法器单元接收的所述第一经修改的信号与所述加法器单元经由一个延迟单元接收的第二经修改的信号之间的时间差。
5.根据权利要求4所述的光环调制器，其中，所述有限脉冲响应滤波器电路包括具有一个或多个抽头单元的有限脉冲响应滤波器。
6.根据权利要求4所述的光环调制器，其中，所述有限脉冲响应滤波器电路包括具有两个或更多个抽头单元的有限脉冲响应滤波器，其中，所述两个或更多个抽头单元被并联布置。
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