CN112383360A - 一种mzm调制器及实现pam-16调制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种MZM调制器及实现PAM‑16调制的方法，通过将硅光调制器划分为不同比例的4段，每个分段各自连接对应的驱动电极，通过外部驱动芯片对驱动电极施加数字电压信号，以实现某一时刻各分段上加载光信号的调制幅度累加。由于各分段按照1:2:4:8的长度比例设计，在各段上加载“0”、“1”信号，调制器累加调制相移量不会重复，并且能获得PAM‑16调制信号。

Description

一种MZM调制器及实现PAM-16调制的方法

技术领域

本发明涉及利用电信号控制来进行光信号调制的调制器，及其调制方法，具体涉及一种MZM调制器及实现PAM-16调制的方法。

背景技术

相比于电互连而言，光互联具有高带宽、低功耗、低延时、低传输损耗、无电磁干扰、可并行传输等优点，能很好的解决现有网络系统中电互连存在的问题，是克服目前数据中心带宽限制的最佳手段。随着单通道信息速率达到甚至超过100Gbit/s，光互连通信系统中将会采用更高频谱利用率的方式，例如多电平调制。多电平调制技术被认为是400G光互连最具应用的前景的实现方案，具有重要的学术研究价值和应用前景。

铌酸锂马赫-曾德尔型强度调制器(MZM)作为光通讯链路的关键器件，由一个铌酸锂的衬底和共面型相位调制器组成，在这种调制器中，两个分支的相位调制和由基材的电光特性有关，每一个分支的相位变化转换为输出光功率的变化。影响MZM调制器性能的因素，包括其本身的光电特性以及制作工艺。通过调制激光幅度随输入高速微波信号改变，将电信号加载到激光载波上使之变成携带有用信息的光信号，即光波的幅度随基带信号变化而改变，该调制方式通常被称为脉冲幅度调制（PAM, Pulse-amplitude modulation）。但是通常情况下，PAM调制形式不局限于用来表示对幅度的调制，也可以用于表示对光波相位的调制等。该调制形式广泛应用于数字信号传输，PAM后接的数字表示能够输出不同调制信号的个数，比如：PAM-4表示可以实现4种调制信号的输出，PAM-16表示可以实现16种调制信号的输出。

如图1所示，有学者基于双驱马核增德尔调制器，构建了一套PAM-4光合成方案，并结合DD-MZM的调制特性和优势，通过在DD-MZM结构上的创新，直接由多路NRZ信号合成出线性度良好的PAM-8光信号。设计了一个结构上类似于IQ调制器的有两个DD-MZM并行连接组合而成的双路并行DD-MZM调制器。通过内部DD-MZM先分别单级调制出PAM-2和PAM-4光信号，然后在外部调制器光波导臂上再次实现两个多电平信号的光合成，最终实现由三路NRZ信号两级光合成PAM-8信号。基于DD-MZM的结构合成出了PAM-8光信号，该方案需要的驱动电压相对较小，且操控起来更方便。但是，在单信道信息速率达到甚至超过100Gbit/s时，PAM-4已经无法满足使用需求。并且基于DD-MZM的结构合成PAM-8光信号，仍需要DAC、ADC和DSP，制造成本偏高，且传输方式复杂低效。

CN107210821A公开了使用马赫曾德尔调制器（MZM）的多电平相移的数字生成，采用一种装置，在不采用DAC的情况下再单个MZI支路分段处提供多电平相移。舍弃了DAC可以降低一部分成本及调制复杂度，但是由于该方案通过多电平电信号来实现高阶调制，输入电路控制较为复杂，功耗较大，且电信号的抗干扰能力弱，传输损耗大。

CN101578544B公开了一种调制器，构成为包括用于动态调整调制器内的光信号路径的有效长度的可调驱动装置，每个调制器臂被分为多段，每段耦合到单独的电信号驱动器，可以“开启”或“关闭”单独的驱动器，来动态调整调制器的操作。虽然简化了输入控制电路，依然采用多颗驱动器来实现高阶调制，功耗相对较高，并且其无法实现更简单的电信号输入来实现PAM-16高阶调制。

发明内容

本发明提供一种MZM调制器实现PAM-16调制的方法，马赫曾德尔调制器的两臂分为第一调制臂、第二调制臂，在制作时，将各调制臂分割为4个分段，且各个分段的长度比为1：2：4：8，采用驱动芯片实现调制器驱动，可以选择单颗驱动芯片的同步驱动。第一调制臂、第二调制臂对应的第一分段接第一驱动电极，相对应的第二分段接第二驱动电极、第三分段接第三驱动电极、第四分段接第四驱动电极。驱动芯片通过第一、第二、第三、第四驱动电极加载给各分段调制臂一定的电压值，同时第一分段、第二分段、第三分段、第四分段皆处于反向偏置状态。

设l为电极长度的向量，M为电极的总数，j为电极的序数，j=1,2，…,M，V表示驱动电极控制电压对应的向量。l_j表示第j个电极的长度，V_j表示向第j个电极施加的电压。当仅向长度为l_j的电极施加电压时，在调制臂中传播的光的相位偏移为π*（（V_j*l_j）/（V_π*l_π）），其中V_π*l_π表示对应于导致π相移的电压长度乘积，它常被用作MZM调制器的优值系数，V_π表示实现π相移的电压，l_π表示实现π相移的电极长度。因此可以定义新的归一化电极长度L= l/l_π,收集所有电极的贡献值，则MZM传输函数如下所示：

T（V，L）=cos²（（π/2）*（V*L^T/υ_π））（公式1）。

T（V，L）表示调制器的输出信号，υ_π表示导致π相移的电压值，上标T表示转置。通过向每个电极e_j，j=1、2、…、M，施加一些非零电压V_j=υ，来获得总的相移。向所有电极施加的电压值都是二进制值，V_j=υ或者V_j=0。

设D_i表示长度为N的二进制输入数字向量，其中i=1、2、…2^N，对于每个数字向量D_i由于电压υ的作用，实际对应的二进制向量为B_i。公式1中，当V_j=υ时，B_ij=1，υ为一个固定的电压值，B_ij表示第j个分段调制臂上接收到的二进制向量。当V_j=0时，B_ij是控制向量B_i的第j个元素值。这时，可以将B_i定义为一个大小为2^N*M的矩阵，矩阵中的行是由一系列二进制控制矩阵B_i组成，每一行的长度是M。实际的MZM调制器输出函数如下：

T（B，L）=cos²（（π/2）*（υ/υ_π）*（∑^M _j=1B_ij*L_ij））（公式2）

T（B，L）表示MZM调制器的实际输出信号值， L_ij表示长度向量L_i的第j个元素值。

当电极的数量等于数据位数时，即M=N，在标准方法中的实现是最有效的，但试图充分利用传递函数（公式2）的动态范围，结果具有一定的高非线性误差。可以使得M>N从更多个电平中择取几个线性度维持得较好的电平来消除这个误差。对于二进制信号，表示第K比特的电极的长度是用来表示最低有效比特（LSB）的电极长的2^K倍。在理想情况下，分别在四段电极上施加相同电压，第二段（位1）由于长度是第一段（位0）的两倍因而导致两倍的相移，则第三段（位2）和第四段（位3）分别是第一段（位0）的四倍和八倍而导致四倍和八倍的相移。实际上，由于MZM的非线性正弦传递函数，该分段比例将不会导致光强度的相等分离。

在本发明中，四个电极为e₁、 e₂、 e₃、 e₄，通过驱动芯片向各驱动电极分别施加的电压V₁、V₂、V₃、V₄，可以是0或者一个固定值υ，施加电压为υ的电极为光信号相移做出贡献，相应的调制长度对应驱动电极的长度l_j。同时，驱动电极长度与第一调制臂、第二调制臂中对应的分段的长度相同。可以理解为，被施加电压υ的驱动电极对应的第一、第二调制臂的一个分段的长度对光调制器相移做出贡献。如果把施加了电压υ的驱动电极视为“连通”模式，把施加电压为0的驱动电极（即未施加电压）视为“断开”模式，那么最终MZM调制器相移的总和与“连通”模式的驱动电极长度的累加成正相关。可以理解为，“连通”、“断开”模式为驱动芯片控制的信号分别为“1”、“0”的二进制数字信号。

MZM调制器的第一调制臂、第二调制器被分为1:2:4:8长度比例的分段，每个分段通过对应的驱动电极接收“0”或“1”的二进制数字信号。在各段接收信号为“0”时，传输光不产生调制相移，在各段接收信号为“1”时，长度份为1的分段对传输光相移产生的贡献为1单位，长度份为2的分段贡献为2单位，长度份为4的贡献为4单位，长度份为8的分段贡献为8单位，MZM调制器输出光信号的调制为接收信号为“1”的各段贡献的总和。

本发明的方案，在不需要DAC、ADC和DSP的情况下，可以实现简单的二进制电信号控制，即可实现PAM-16的高阶调制，同时采用单颗驱动芯片控制驱动电极，降低了成本和功耗，实时传输实现起来更简单有效。

附图说明

图1为背景技术中双路并行DD-MZM结构示意图

图2为基于本发明方案的一个实施例中的MZM调制器结构示意图

图3为典型的MZM调制器整体示意图

图4a为基于本发明方案的一个实施例中的对MZM调制器施加电压的一部分数据阵列示意图

图4b为基于本发明方案的一个实施例中的对MZM调制器施加电压的另一部分数据阵列示意图

图5为基于本发明的一个实施例中的MZM调制器输出相移与电压配置对应表。

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。

图3所示为典型的马赫曾德尔调制器300的结构，是基于马赫曾德尔干涉仪结构的，可以将相位转变为强度信息。从图中可以看出，输入端的Y分支是一个功分器，它将输入光分成两路相等的信号，分别进入两段光波导中传播，将这两段光波导称为马赫曾德尔调制器的两个臂，由于这两个‘臂’采用的材料是电光性材料，其折射率随外部施加的电信号大小变化，两个臂上折射率的变化会导致信号相位的变化，当经过调制的两路信号经过耦合器结合在一起时，合成的光信号将是一个强度大小变化的干涉信号，就是把电信号的变化转换成了光信号的变化，实现了光强度的调制。

如图2所示，在一个实施例中， MZM调制器200,被分为上臂201和下臂202，上臂201、下臂202接收由输入光波导203传输的光束，调制后由输出光波导204输出。MZM调制器200接收由输入光波导203传输的光束，在上臂201与下臂202的支路口按照一定比例被分为两束光，具体比例根据调制需要进行设定，可以选择是1:1。

具体到图2中，上臂201与下臂202均被分成4段，沿光传播方向，4段的长度比为1:2:4:8，第一段耦合到驱动电极205，第二段耦合到驱动电极206，第三段耦合到驱动电极207，第四段耦合到驱动电极208。相应的，驱动电极205的长度份为1单位，驱动电极206的长度份为2单位，驱动电极207的长度份为4单位，驱动电极208的长度份为8单位。驱动电极205、206、207、208反向偏置，且接收驱动芯片的电压信号。

如图4a中所示，在一个时刻，电极205、206、207、208上加载电压为0，二进制数据流为“0000”，所有电极上接收的二进制信号对两臂的光束相移无贡献，即总相移为0。

另一个时刻，仅在电极205上加载一电压为a伏特，电极206、207、208加载电压为0，a可以根据调制场景选择，可以是1伏特、1.5伏特等特定的值。此时MZM调制器接收的二进制数据流为“1000”，由于电极205的长度份为1单位，因此整个MZM调制器为光束相移提供的总贡献为1单位。

具体的另一个时刻，在电极206上加载电压a伏特，电极205、207、208上均不加载电压，此刻的MZM调制器上接收的二进制信号为“0100”，由于电极206的长度份为2单位，因此整个MZM调制器对光束相移提供的总贡献为2单位。

在另一个时刻，在电极205、206上加载电压a伏特，电极207、208上均不加载电压，此时的MZM调制器上接收的二进制信号为“1100”，MZM调制器对光束相移提供的总贡献为电极205、206长度份的累加，即1单位加2单位，总共为3单位。

图4a、图4b中分别显示的二进制数据阵列401、402为按照上述电压调制方法，加载在MZM调制器各电极上的电压根据时刻变化，可以选择加载特定的电压a伏特或者0伏特。不同时刻，加载在MZM调制器上的二进制信号流可以是“0000”、“1000”、…、“1010”、“0110”、…、“1111”，共16种不重复二进制数据流，可以实现PAM-16高阶调制。

如图5所示，表500展示了每一时刻MZM调制器上接收的二进制信号流将对调制器上下两臂传输光束的相移产生影响，不同的二进制信号流对光束相移所作的贡献不同。总的相移是所有加载电压大于0的电极长度份的累加。例如，当二进制数据流为“0110”时，对应的是电极206、207上加载电压，电极205、208上未加载电压或电压为0，电极206的长度份为2单位，电极207的长度份为4单位，累加的相移为2加4，即6单位。如当二进制数据流为“0101”时，对应的是电极206、208均加载电压为a伏特，电极205、207均加载电压为0，电极206的长度份为2单位，电极208的长度份为8单位，累计对相移做的贡献为10单位。

在一个实施例中，驱动电极205、206、207、208耦接在同一颗NRZ驱动芯片，实现同步驱动。

在另外一个实施例中，调制器上臂、下臂、输入光波导、输出光波导均是光刻在绝缘体上硅层（SOI）中的图形。调制器上下臂在分波处构成Y型分支形状，在合波处同样构成Y形分支结构。输入波导、输出波导可以采用长条形、倒锥形等构型。

在另外一个实施例中，多个MZM调制器构成调制器阵列，阵列中的每个调制器光输入端耦合到同一分光器，用于接收输入光。阵列中的每一个调制器光输出端口采用合波器整合光束，调制后的光束经合波器合波，再输出到外部传输单元。

上述实施例仅列举了较佳的具体技术方案及技术手段，不排除在本发明权利要求范围内，有其他可以解决该技术问题的等换技术手段的替换形式，也应当理解为本发明要求保护的内容。

Claims (7)

1.一种MZM调制器，其特征在于，包括：第一调制臂、第二调制臂，所述第一调制臂、第二调制臂均被分为4个分段，且各段的长度比例为1:2:4:8；

第一输入光波导，耦合到所述第一调制臂、第二调制臂分光端口，用于输入连续波；

第一输出光波导，耦合到所述第一调制臂、第二调制臂合波端口，用于输出调制后的光信号；

第一驱动电极、第二驱动电极、第三驱动电极、第四驱动电极，其对应耦合到4个分段中的第一分段、第二分段、第三分段、第四分段；所述第一驱动电极接收电压信号或断开电压信号，为第一分段提供二进制数据驱动信号；所述第二驱动电极接收电压信号或断开电压信号，为第二分段提供二进制数据驱动信号；所述第三驱动电极接收电压信号或断开电压信号，为第三分段提供二进制数据驱动信号；所述第四驱动电极接收电压信号或断开电压信号，为第四分段提供二进制数据驱动信号；

所述第一、第二、第三、第四驱动电极与一颗驱动芯片耦接，所述驱动芯片可以实现4个独立的驱动电路通道。

2.根据权利要求1所述的MZM调制器，其特征在于，所述第一调制臂、第二调制臂、第一输入光波导、第一输出光波导刻画在绝缘体上硅层中。

3.根据权利要求1所述的MZM调制器，其特征在于，还包括：第三调制臂、第四调制臂，所述第三调制臂与第四调制臂构成一个MZM调制器，与所述第一调制臂、第二调制臂构成的一个MZM调制器排列为一组MZM调制器阵列；第二输入光波导，耦合到所述第三调制臂、第四调制臂分光端，用于输入连续波；第二输出光波导，耦合到所述第三调制臂、第四调制臂合波端，用于输出调制后的光信号。

4.根据权利要求3所述的MZM调制器，其特征在于，还包括：分波器，耦合到第一输入光波导、第二输入光波导输入端，用于分离光束；合波器，耦合到第一输出光波导、第二输出光波导的输出端，用于整合光束。

5.一种利用权利要求1中所述的MZM调制器实现PAM-16调制的方法，其特征在于，包括如下步骤：第一、第二、第三、第四驱动电极反向偏置，均被给予一定的电压值；所述第一、第二、第三、第四驱动电极给定的电压值相同，第一输入光波导输入连续波。

6.根据权利要求5所述的实现PAM-16调制的方法，其特征在于，所述第一、第二、第三、第四驱动电极给定的电压值通过同一颗驱动芯片控制，第一驱动电极加载的电压信号通过驱动芯片实现“连通”模式，第二驱动电极加载的电压信号通过驱动芯片控制进入“断开”模式，第三驱动电极经驱动芯片控制进入“断开”模式，第四驱动电极经驱动芯片控制进入“断开”模式，实现第一光相移信号。

7.根据权利要求6所述的实现PAM-16调制的方法，其特征在于，第一、第二、第三、第四驱动电极通过驱动芯片同步驱动，每个电极进入“断开”或“连通”模式，提供给第一调制臂、第二调制臂对应分段二进制数字信号，实现连续光的PAM-16高阶调制。

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