CN112888984B - 对光学马赫-曾德尔超结构调制器进行调制的方法 - Google Patents

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Abstract

一种光学马赫‑曾德尔超结构调制器和方法，所述光学马赫‑曾德尔超结构调制器和方法可以同时使光学调制光信号的同相正交分量线性化并且通过使用嵌入光学马赫‑曾德尔超结构调制器中的两个高速相位调制器同相相加振幅和/或相位调制光信号的同相正交分量来减小调制光插入损耗(MOIL)。

Description

对光学马赫-曾德尔超结构调制器进行调制的方法
本文使用的小节标题仅用于组织目的，并且不应当被解释为以任何方式限制本申请中描述的主题。
相关申请的交叉引用
本申请是2018年9月6日提交的题为“Linearization and Reduction ofModulated Optical Insertion Loss for Quadrature Optical Modulator”的美国临时专利申请序列第62/727979号的非临时性申请。美国临时专利申请序列第62/727979号的全部内容通过引用并入本文。
简介
除非本文另有指示，否则本文所述的材料不是本申请中权利要求所要求保护的现有技术，并且也不承认通过包括在本节中而作为现有技术。
在高速光通信系统中经常使用调制光波来将数字信息从发送器传送至接收器。在许多系统中，使用幅度和相位调制方案二者发送信息。通过使用这样的技术，与仅幅度的调制相对，可以在相同的光学频带上发送更多的信息。示例包括相移键控调制技术例如二进制相移键控(BPSK)和正交相移键控(QPSK)，以及正交幅度调制(QAM)技术例如使用同相正交调制器(IQM)实现的8QAM、16QAM和64QAM。
在光路中插入诸如IQM光调制器的光调制器会产生光信号的插入损耗，从而影响调制信号的后续发送和接收。此外，常规的放大技术可能导致对由指示调制数据的星座点表示的各种发送符号的失真。因此，需要具有较低的光插入损耗和/或提高以高保真度接收光信号的能力的其他特征的光调制器。
附图说明
结合附图，在以下详细描述中更具体地描述根据优选实施方式和示例性实施方式的本教导及其另外的优点。本领域技术人员将理解，下面描述的附图仅用于说明目的。这些附图不一定按比例绘制，而是通常重点在于说明本教导的原理。附图并不旨在以任何方式限制申请人的教导的范围。
图1示出了已知的同相正交(IQ)马赫-曾德尔超结构调制器系统。
图2A示出了场传递函数(虚线)、功率传递函数(实线)以及用于马赫-曾德尔调制器的示例操作点的图。
图2B示出了场传递函数(虚线)、功率传递函数(实线)以及用于马赫-曾德尔调制器的另一示例操作点的图。
图2C示出了表示马赫-曾德尔调制器的输出的相位图。
图3A示出了表示来自已知的同相正交(IQ)超结构调制器系统的输出的相位图。
图3B示出了用于针对4QAM/QPSK操作配置的马赫-曾德尔超结构调制器的星座图。
图3C示出了包括用于针对4QAM或QPSK调制配置的马赫-曾德尔超结构调制器的真值表以及在输出处的场值和强度值的表。
图4示出了本教导的IQ马赫-曾德尔超结构调制器系统的实施方式。
图5A示出了包括用于本教导的针对4QAM操作配置的马赫-曾德尔超结构调制器的实施方式的真值表、DC和AC偏置相位以及在输出处的场值和强度值的表。
图5B示出了表示用于本教导的针对4QAM操作配置的马赫-曾德尔超结构调制器的实施方式以及已知的4QAM配置的马赫-曾德尔超结构调制器的输出的调制输出信号的相位图。
图5C示出了表示用于根据本教导的针对4QAM操作配置的马赫-曾德尔超结构调制器的实施方式以及已知的4QAM配置的马赫-曾德尔超结构调制器的输出的调制输出信号的星座图。
图6A示出了表示用于本教导的针对具有1Vπ驱动操作点的16QAM操作的马赫-曾德尔超结构调制器的实施方式以及已知的16QAM配置的马赫-曾德尔超结构调制器的调制输出信号的星座图。
图6B示出了表示用于本教导的针对具有2Vπ驱动的16QAM操作的马赫-曾德尔超结构调制器的实施方式以及已知的16QAM配置的马赫-曾德尔超结构调制器的调制输出信号的星座图。
图6C示出了表示用于本教导的被配置成用于具有2Vπ驱动和线性化的16QAM操作的马赫-曾德尔超结构调制器的实施方式以及已知的16QAM配置的马赫-曾德尔超结构调制器的调制输出信号的星座图。
图7A示出了用于16QAM星座的相位图。
图7B示出了符号以及相关联的发送的光载波的及相关联的相位和幅度的表，呈现图7A的相位图的符号。
图8示出了本教导的双偏振IQ马赫-曾德尔超结构调制器系统的实施方式。
具体实施方式
说明书中对“一个实施方式”或“实施方式”的引用意指结合该实施方式描述的特定特征、结构或特性包括在教导的至少一个实施方式中。在说明书的各个地方出现的短语“在一个实施方式中”不一定都指同一实施方式。
应当理解，本教导的方法的各个步骤可以以任何顺序和/或同时执行，只要教导保持可操作。此外，应当理解，本教导的装置和方法可以包括任何数目或所有描述的实施方式，只要教导保持可操作。
现在将参照附图中所示的示例性实施方式更详细地描述本教导。虽然结合各种实施方式和示例来描述本教导，但是并不旨在将本教导限制于这些实施方式。相反，如本领域技术人员将理解的，本教导包括各种替代方案、修改和等效方案。接触本文教导的本领域普通技术人员将认识到附加的实现方式、修改和实施方式，以及其他的使用领域，这些都在本文所描述的本公开内容的范围内。
本教导描述了一种同时使同相正交光调制器线性化并且通过利用nQAM信号的同相正交分量的同相相加来减小调制光插入损耗(MOIL)的方法，nQAM信号的同相正交分量的同相相加使用嵌入超结构马赫-曾德尔调制器中的两个高速相位调制器来实现。本教导的调制器可以以例如铌酸锂、磷化铟、砷化镓和硅光子学技术实现。
本教导的系统和方法涉及用于基于马赫-曾德尔的同相正交光调制器的线性化和/或调制光插入损耗(MOIL)的减小。更具体地，本教导的系统和方法至少部分地依赖于下述认识：相干(相位敏感)光信号合并方法可以用于减小或消除在已知的基于马赫-曾德尔的同相正交光调制器中存在的固有的调制光插入损耗，所述基于马赫-曾德尔的同相正交光调制器依赖于非相干(相位不敏感)光信号合并方法。所述系统和方法可以有利地使基于马赫-曾德尔的同相正交光调制器产生的输出调制光信号线性化。此外，本教导的系统和方法可以有利地控制和/或改善基于马赫-曾德尔的同相正交光调制器产生的输出调制光信号星座的点之间的距离。该距离有时被称为汉明距离。
图1示出了已知的IQ马赫-曾德尔超结构调制器系统100。光源110生成光信号。在一些配置中，所生成的光信号可以是例如也被称为光载波的相干光学光波。在各种配置中，光源110可以是固定波长或可调谐波长光源。光源110连接至主IQ马赫-曾德尔超结构调制器120的输入121。通过光分路器102将主马赫-曾德尔调制器(MZM)120的输入处的光信号划分成父MZM 120的两个臂112、114。第一臂112包括子MZM 130，以及第二臂114包括子MZM140。子MZM 130包括两个臂123、124，以及子MZM 140包括两个臂125、126。
每个子MZM 130、140包括一对调制电极131、132、141、142，各自用于各个臂123、124、125、126。每个子MZM 130、140还包括一对偏置电极151、152、161、162，所述偏置电极151、152、161、162用于各个臂123、124、125、126。调制电极131、132、141、142和偏置电极151、152、161、162被配置为有时被称为推拉配置的差分驱动配置，所述差分驱动配置向每个子MZM 130、140的一个臂123、125提供正信号，并且向每个子MZM 130、140的其他臂124、126提供负信号。相等且相反的驱动配置有利地降低施加至电极131、132、141、142、151、152、161、162的驱动信号的峰值电压，以便在臂123、124中或臂125、126中的调制光信号之间产生相位差。
调制电极131、132、141、142连接至调制驱动器106，调制驱动器106向相应电极131、132、141、142提供RF调制信号。例如，用于同相信号的正RF调制VRF_I_P(t)被施加至子MZM 130的调制电极131并且用于同相信号的负RF调制VRF_I_N(t)被施加至子MZM 130的调制电极132。电极131、132基于所施加的调制信号对通过第一臂112的光信号施加调制相位。偏置电极151、152、161、162连接至偏置驱动器108，偏置驱动器108向相应偏置电极151、152、161、162提供DC偏置信号。例如，用于子MZM 130的正偏置信号VDC_I_P被施加至偏置电极151，并且用于子MZM 130的负偏置信号VDC_I_N被施加至偏置电极152。在一些配置中，DC偏置信号被配置成在最小发送点处偏置子MZM 130，并且在最小发送点处偏置子MZM 140。
来自父MZM 130的两个臂112、114的光信号被合并以通过合路器103生成合并光信号输出122。父MZM 130的两个臂112、114具有连接至偏置驱动器109的偏置电极171、172，偏置驱动器109向偏置电极171、172提供正DC偏置信号和负DC偏置信号，以产生用于父MZM超结构120的每个臂112、114中的光信号的偏置相位。在一些配置中，DC偏置信号被配置成通过在第一臂112中生成的光信号与第二臂114中生成的光信号之间生成π/2相位差来在正交点处偏置父MZM超结构120。
偏置驱动器108、109和调制驱动器106由控制器104控制。在各种配置中，偏置驱动器108、109、调制驱动器106和/或控制器104由一个或更多个电路构成。在各种配置中，电路可以包括单独或组合的FPGA、ASIC、DSP、ADC、DAC以及/或者其他分立部件和/或电路。
在一些配置中，调制驱动器106和偏置驱动器108被配置成使用RF调制信号和DC偏置信号来产生±1DPSK调制，使得一个子MZM 130响应于第一调制信号对光信号施加调制相位，所述第一调制信号引起对通过第一臂112的光信号的同相±1DPSK调制。其他子MZM 140响应于第二调制信号对光信号施加调制相位，所述第二调制信号引起对通过第二臂114的光信号的正交±1DPSK调制。父MZM 120通过添加π/2相移将第二臂114中生成的±1DPSK调制乘以j，从而将其转换成正交调制。然后，父MZM 120将由第一臂112和第二臂114生成的两个DPSK调制相加，以在一个偏振中生成QPSK或4QAM调制。
IQ MZM超结构调制器系统100可以用于实现多种基于幅度和相位的调制方案。特定的调制方案取决于特定的多电平信号，所述多电平信号具有施加至调制子马赫-曾德尔调制器的一定的峰-峰电压。对于超结构马赫-曾德尔调制器，通常，子马赫-曾德尔调制器在最小发送点处偏置，而主马赫-曾德尔调制器在正交发送点处偏置。
图2A示出了场传递函数(虚线)、功率传递函数(实线)以及用于马赫-曾德尔调制器的示例操作点的图200。该图示出了具有正交点偏置202、Vbias＝Vπ/2和具有Vπ峰-峰电压摆幅204的应用调制驱动信号的操作点。如由实线功率传递函数所示，该操作点偏置202和电压摆幅204提供从零状态(没有功率输出)到一个状态(全输出功率)的幅度调制。功率传递函数还说明正交点偏置202怎样位于调制器的半功率点处，这导致3DB固有损耗。返回参照图1，类似地在一些配置中，在正交发送点处偏置主马赫-曾德尔调制器120以在马赫-曾德尔超结构中引入π/2相移。
图2B示出了场传递函数(虚线)、功率传递函数(实线)以及用于马赫-曾德尔调制器的另一示例操作点的图220。图220示出了最小发送偏置222，其中，马赫-曾德尔在输出处针对名义上为零的光信号偏置。从场传递函数曲线示出了在光信号中产生±π相变的输入调制信号2Vπ峰-峰电压摆幅204。如功率传递曲线所示，在最小发送操作点偏置222处具有2Vπ电压摆幅的该操作点也在所施加电压的每个极端处产生峰值输出功率。返回参照图1，该操作点可以用于产生例如来自子马赫-曾德尔调制器130和140的BPSK和/或DPSK信号。
图2C示出了表示马赫-曾德尔调制器的输出的相位图240。相位图240有助于使马赫-曾德尔调制器的输出中的可到达信号空间可视化。相位图240包括实轴242和正交虚轴244。圆245示出了调制的输出信号的单位幅度传输和相位偏移，所述圆由相对正实轴242对向的角度
Figure GDA0003676963530000061
表示。通过应用相位调制信号而生成的马赫-曾德尔调制器光信号输出可以由相位角246，
Figure GDA0003676963530000062
和幅度248，A表示。四个示例输出信号点250、252、254、256被示出为特定示例。点250、252、254、256中的每个点具有单位幅度但具有不同的相位。具体地，相位为：对于输出250，
Figure GDA0003676963530000063
对于输出252，
Figure GDA0003676963530000064
对于输出252，
Figure GDA0003676963530000065
以及对于输出252，
Figure GDA0003676963530000066
这组四个输出250、252、254、256可以在相干检测器中被解调，并且因此可以通过如下操作在光信号上对信息进行编码：应用调制信号以实现这些特定输出点之一来对正被传输的信息的特定符号进行编码。对于四个不同的输出点250、252、254、256，每个点表示由调制信号编码的信息的两个比特。依赖于具有四个不同相位和相等幅度的输出的调制方案被称为QPSK。其他调制方案也是可以的，包括使用具有不同幅度和不同相位的输出的方案。在相位图中，不同的幅度由不同直径的圆表示。本教导的系统和方法的各种实施方式可以应用于这些所谓的相干或相位敏感的调制方案中的一个或更多个。
图3A示出了表示来自已知超结构调制器系统100的输出的相位图320。为了简化本教导的描述，假设所有分路器将功率分成相等的两半，并且所有合路器从每个贡献路径获得相同的功率量。在一些配置中，可以使用许多其他分光比和重组比。此外，在分析中没有包括由于例如光通过各种元件的材料传输损耗而导致的额外损耗。
参照图1、图2A至图2C和图3A，同相子MZM 130和正交相子MZM 140二者在强度最小发送点(例如，如图2B所示)处偏置，并且通过由峰值电压摆幅为±1Vπ或峰-峰电压摆幅为2Vπ的调制AC波形驱动来生成DPSK调制。此外，父MZM 120在正交点(例如，如图2A所示)处偏置。该偏置由DC偏置驱动器109差分地提供，所述DC偏置驱动器向偏置电极171提供VDC_P_P并向偏置电极172提供VDC_P_N。该偏置使第二臂114中的相位相对于第一臂112偏移+90度。所得到的输出信号是图3A中所示的星座点334、336、338、340。由于同相调制的信号和正交调制的信号同时存在于超结构调制器的输出处，因此父MZM 120的正交偏置点固有地产生3dB插入损耗。这根据图2A的功率传递函数是清楚的。
MZM超结构系统100的输出处的场可以在数学上描述为：
Figure GDA0003676963530000071
Figure GDA0003676963530000072
其中，
Figure GDA0003676963530000073
VI(t)＝±Vπ并且
Figure GDA0003676963530000074
VQ(t)＝±VπVI(t)＝VI(t)＝VRF_I_P(t)-VRF_I_N(t)，
Figure GDA0003676963530000075
并且
Figure GDA0003676963530000076
取在括号内的复信号的实部。电压Vπ，也被称为Vpi，是在光信号上产生π度相移所需的驱动电压。场中的±1与由于数据调制φI(t)而在父MZM 120的同相或第一臂112的输出处调制的光E场中的0或π度相移对应。对于VI(t)±Vπ输出点在相位图320中被示出为信号点326、330，并且在子MZM 130的输出处产生DPSK信号。类似地，场中的±1与由于数据调制φQ(t)而在父MZM120的正交或第二臂114的输出处调制的光E场中的0或π度相移对应。对于VQ(t)＝±Vπ输出点在相位图320中由信号点328、332表示，并且在子MZM 140的输出处产生DPSK信号。父MZM120的每个臂112、114中的这两个DPSK光信号在输出处被合并。来自偏置驱动器109的正交偏置信号经由偏置电极171、172被施加到臂112、114。在数学上，j乘以正交调制的信号的场。正交偏置导致Δφ＝π/2的另外的相位差，其使这两个DPSK信号正交化，产生QPSK星座的点，点334、336、338、340。
图3B示出了配置用于4QAM/QPSK操作的马赫-曾德尔超结构调制器100的星座图350。四个正交相加符号被示出为点334、336、338、340。点334、336、338、340各自表现出与图原点±0.7±0.7j的间隔。取决于通过其收发符号的信道的保真度，所接收的符号可以与点334、336、338、340的理想位置不同。所接收的信号保真度与接收处理器正确地识别符号的能力有关。也就是说，识别四个星座点334、336、338、340中的哪一个被发送。因此，符号之间的额外间隔提供额外设计裕度。
如上所述，四个星座点允许每个符号或点334、336、338、340两个比特的编码。图3C示出了包括真值表以及配置用于4QAM/QPSK操作的马赫-曾德尔超结构调制器100的输出处的场和强度值的表300。表300示出了符号、I调制器(子MZM 130)的相位调制信号值φI(t)、Q调制器(子MZM 140)的相位调制信号值φQ(t)、在父MZM 120的输出处的电场E以及在父MZM 120的输出处的强度I。
表300中的值I＝1.0表明了来自父MZM 120的正交偏置的3dB固有损耗。这是同相调制的信号和正交调制的信号独立于时间同时存在于父MZM 120的输出处的事实的表现。对于传输到马赫-曾德尔超结构基板的每个符号，正交相加合路器有效地从输出丢弃一半强度。因此，MZM超结构调制器系统100的这些已知配置具有固有的3dB调制的光插入损耗(MOIL)。
图4示出了本教导的IQ马赫-曾德尔超结构调制器系统400的实施方式。超结构调制器系统400包括结合图1描述的超结构调制器系统100的许多相同或类似部件。本教导的一个特征是超结构调制器系统400通过使用AC偏置方案来减少和/或消除已知的超结构调制器系统100中的固有MOIL。IQ马赫-曾德尔超结构调制器400具有生成光信号Ein(t)421的光源410，所述光信号可以例如是光载波。父MZM 420包括两个臂412、414。在父MZM 420的输入处的光信号被光分路器408分成父MZM 420的两个臂412、414。光分路器408可以是50/50分路器，或者在各种实施方式中可以具有许多其他分光比。第一臂412包括子MZM 430，并且第二臂414包括另一子MZM 440。每个子MZM 430、440包括一对臂423、424、425、426，其具有相应的一对调制电极431、432、441、442和相应的一对偏置电极451、452、461、462。调制电极431、432、441、442响应于调制信号对相应臂423、424、425、426中的光信号赋予调制相位。偏置电极451、452、461、462响应于偏置信号对相应臂423、424、425、426中的光信号赋予偏置相位。
在一些实施方式中，调制电极431、432、441、442和偏置电极451、452、461、462被配置为差分驱动配置。调制电极431、432、441、442连接至提供RF调制信号的调制驱动器404，所述RF调制信号对通过臂423、424、425、426的光信号赋予调制相位。偏置电极451、452、461、462连接至提供偏置信号的偏置驱动器405。子MZM 430、440响应于被施加到调制电极431、432、441、442的调制信号对通过臂412、414的光信号赋予调制相位。
来自父MZM 420的两个臂412、414的光信号在合路器409处被合并成输出422。父MZM 420在每个臂412、414上具有连接至DC偏置驱动器406的DC偏置电极471、472和连接至AC偏置驱动器407的AC偏置电极481、491。DC偏置电极471、472和AC偏置电极481、491对通过相应臂412、414的光信号赋予相应的DC偏置相位和AC偏置相位。AC偏置电极481用可以以高速率工作的偏置信号来调制臂412中的光信号，并因此用作高速调制器。AC偏置电极491用可以以高速率工作的偏置信号来调制臂414中的光信号，并因此用作高速调制器。这与DC偏置电极471、472相反：DC偏置电极471、472将标称地恒定偏置相位赋予在每个臂412、414上。因此，在一些实施方式中，AC偏置电极481、491与DC偏置电极471、472不同地被构造，以支持高速信号的调制。
控制器402控制调制驱动器404、405和偏置驱动器406、407。驱动器404、405、406、407和控制器402可以统称为控制设备403。在各种实施方式中，偏置驱动器406、407、调制驱动器404、405和/或控制器402由一个或更多个电路构造。在各种实施方式中，电路可以单独或组合地包括FPGA、ASIC、DSP、ADC、DAC和/或其他分立电路。
本教导的一个特征是DC偏置信号和AC偏置信号二者被施加到父MZM 420。这允许随时间标称地恒定的DC偏置以及随时间改变的AC偏置。例如，AC偏置可以基于调制信号而改变。因此，AC偏置信号可以在RF频率下工作。AC偏置信号速率可以跟踪例如所施加的RF数据调制信号的数据速率和/或符号速率。在一些实施方式中，AC偏置信号可以基于以相位调制的信号的星座被编码的特定符号而改变。例如，返回参照结合图3B描述的4QAM调制信号的星座图350，在一些实施方式中，AC偏置信号取决于调制信号正在生成星座的哪个点334、336、338、340。以另一种方式说，并返回参照结合图3C描述的表300，在一些实施方式中，AC偏置信号取决于调制信号正在施加真值表的哪个符号。如下面进一步描述的，包括经由AC偏置电极施加的AC偏置信号以在超结构MZM上产生并施加与数据相关的AC偏置相位的这个特征可以导致超结构MZM 400的减小的MOIL、改进的星座汉明距离和/或改进的线性度，并且表现出对现有技术的显著改进。
调制信号被馈送至每个调制电极431、432、441、442。信号由驱动器404提供并由控制器402选择。相应的调制信号对应于从数据馈送源——例如可编程控制器(未示出)或其他源——提供的I和Q数据流。如由控制器402选择并由驱动器405、406、407提供的，相应的偏置信号被馈送至偏置电极451、452、461、462、471、472、481、491中的一些或全部。与控制器402相关联的查找表可以用来存储用于为本文中所描述的各种偏置电极生成偏置信号的任何或所有与数据相关的AC偏置和/或DC偏置值。在一些实施方式中，电极可以由高速数模转换器直接地驱动。
在一些实施方式中，DC偏置信号由控制器402配置成在最小发送点处偏置第一臂412中的子MZM 430并在最小发送点处偏置第二臂414中的子MZM 440。在一些实施方式中，控制器402配置驱动器404，使得子调制器430、440二者的RF调制信号提供±Vπ的差分电压，这导致2Vπ峰-峰电压摆幅。在一些实施方式中，子调制器430、440二者的RF调制信号被配置成提供±Vπ/2的差分电压，这导致每个子MZM 430、440的1Vπ峰-峰电压摆幅。
在根据本教导的一个实施方式中，子MZM 430调制电极431、432是用于同相数据调制的差分RF电极。子MZM 440电极441、442是用于正交数据调制的差分RF电极。偏置电极451、452是用于子MZM 430的差分同相DC偏置电极。偏置电极461、462是用于子MZM 440的差分正交DC偏置电极。DC偏置电极471、472是用于父MZM 420的差分DC偏置电极。此外，AC偏置电极481、491是互补RF电极，互补RF电极用于调制父MZM 420的AC偏置的与数据相关的相移。
在一些实施方式中，除了固定的、与时间无关的DC偏置相移Δφ＝π/2之外，AC偏置使得父MZM 420的正交相移的部分包括数据调制相关的相移
Figure GDA0003676963530000101
这类似于在DC信号上施加AC信号的构思。照此类推，施加在正交相位偏置Δφ＝π/2的该AC调制的均方根(rms)值是将插入损耗减小到小于3dB或者完全地消除插入损耗(0dB)的原因。实现的原因是：变化的偏置导致由子MZM 430和子MZM 440分别产生的同相光信号和正交光信号的同相相加，其也被称为相干相加。这与已知的超结构调制器如下相反，已知的超结构调制器依赖于仅由Δφ＝π/2DC偏置提供的常规正交相加，所述已知的超结构调制器是I信号和Q信号的非相干相加。与没有向父调制器施加AC偏置的IQ马赫-曾德尔超结构调制器系统相比，本教导的IQ马赫-曾德尔超结构调制器系统400的父调制器420上的AC偏置可以提供高达3dB的MOIL减小。
尽管结合差分驱动配置描述了与图4的实施方式相关联的讨论，但是本领域技术人员将理解，可以使用许多其他驱动配置和电极配置。例如，单电极调制方案和/或单电极偏置配置也可以用于子MZM 430、440和父MZM 420中的任何或全部。
图5A示出了包括根据本教导的被配置成用于4QAM操作的马赫-曾德尔超结构调制器的实施方式的符号真值表、DC和AC偏置相位以及在输出处的场值和强度值的表500。表500示出了施加的2Vπ调制电压方法。这样的表可以与例如结合图4描述的IQ马赫-曾德尔超结构调制器系统400的实施方式相关联，其中子MZM 430、440在最小发送处被偏置并且所施加的峰-峰调制信号电压为2Vπ。
操作的数学描述如下。在提出的方案中，如表500所示，施加调制的每个符号与施加相位值
Figure GDA0003676963530000111
相关联，该施加相位值是用于同相调制器430的施加调制相位ΔΦI(t)和用于正交调制器440的施加调制相位ΔΦQ(t)的逻辑异或(XOR)操作。调制器系统400的输出场可以由以下式描述：
Figure GDA0003676963530000112
Figure GDA0003676963530000113
其中
Figure GDA0003676963530000114
并且其中
Figure GDA0003676963530000115
对应于逻辑异或操作。另外，为了得到
Figure GDA0003676963530000121
的平均值，每当
Figure GDA0003676963530000122
时，
Figure GDA0003676963530000123
并且每当
Figure GDA0003676963530000124
时，
Figure GDA0003676963530000125
表500呈现了针对4QAM星座中每个符号的复数场E和强度I＝|E|2。
图5B示出了表示根据本教导的被配置成用于4QAM操作的马赫-曾德尔超结构调制器和已知的4QAM配置的马赫-曾德尔超结构调制器的实施方式的输出信号点的相位图520。该相位图520示出了施加的2Vπ峰-峰调制电压方法。参照结合图5A描述的表500和结合图5B描述的相位图520两者，矢量501、502分别表示针对符号“0”的一个相应路径，其中矢量501是同相矢量并且矢量502是正交矢量。跟随针对符号“00”的行，同相矢量501得到由正45°相角540示出的
Figure GDA0003676963530000126
的AC偏置相移，并且正交矢量502是被由负45°相角541示出的
Figure GDA0003676963530000127
的AC偏置相位移位的相。然后将这些矢量“同相”相加以产生作为具有E＝l+j的点510的符号。这与由于没有施加的AC偏置而引起的正交相加是相反的，该正交相加导致具有E＝0.7+0.7j的符号340与结合图3A呈现的示例类似。还示出了结合图5描述的表500中提供的针对星座中其他符号的AC偏置相位。子MZM 430、440的输出的相位旋转在父MZM 420的合路器处是与数据相关的，这是因为不同的应用符号导致向电极481、491施加不同的偏置，以及父MZM 420的每个臂412、414中相关联的不同相移。
图5C示出了表示本教导的被配置成用于4QAM操作的马赫-曾德尔超结构调制器和已知的4QAM配置的马赫-曾德尔超结构调制器的实施方式的调制输出信号的星座图560。该相位图520示出了施加的2Vπ峰摆幅调制电压实施方式。清楚的是，表示本教导的马赫-曾德尔超结构调制器的输出的所得点510、511、512、513与针对已知超结构调制器的相应点334、336、338、340相比具有更高幅度的发送。理论上计算的得到的MOIL改进为3.01dB。得到的MOIL的模拟产生了相同的值。同相相加符号点510、511、512、513分别表现出与图原点±1.0±1.0j的分离。分离的这种增加提高了信号强度以更稳健地穿过通道。这种分离的增加提高了相干接收器解码和正确识别所发送的符号的能力。此外，正交信号的同相相加减少了与调制器相关联的插入损耗。
本教导的方法和装置的一个特征在于，其可以应用于由MZM超结构调制器产生的许多基于相位的调制方案。这包括上述的QPSK和4QAM格式。这还包括例如各种nQAM调制格式，值n可以采用包括例如n＝4、8、16、64、256等的许多值。来自本教导的马赫-曾德尔超结构调制器的调制光信号可以例如借助于从至少两个、四个或更多个不同符号的集合中选择的符号来携带信息。
本教导的一方面在于，在一些实施方式中，当在二维复平面(IQ)中使用AC偏置相位将nQAM信号的同相和正交分量旋转彼此互补的与数据相关的相位角时，可以实现某些优点。
如以下在与图6A至图6C相关联的描述中所描述的，结合图4描述的超结构调制器400还可以用于生成甚至更高阶的信号星座例如16QAM和64QAM，以及/或者生成具有高线性度和减小的MOIL的nQAM信号。本教导的系统和方法由此放宽了在接收侧数字信号处理器上将非线性信号星座分析器作为最后信号处理块以对接收符号进行决策操作并执行符号到位映射操作的要求。这些特征可以显著地降低接收器的成本、复杂性和/或尺寸重量以及功耗。
图6A示出了表示本教导的被配置成用于具有1Vπ驱动操作点的16QAM操作的马赫-曾德尔超结构调制器和已知的16QAM配置的马赫-曾德尔超结构调制器的实施方式的调制输出信号的星座图600。图6A示出了针对16QAM模拟的改进，其中对于1Vπ情况，可以通过计算9.0/5.0＝1.8并且使用式10*log10(1.8)＝2.55dB(理论上)和2.61dB(模拟中)来计算插入损耗。与8.55dB的MOIL相比，这对应于2.61dB的MOIL改进。8.55dB的MOIL包括由正交相加而产生的3dB、由1Vπ欠驱动而产生的+3dB以及由PAM4信号的峰均比而产生的+2.55dB。
图6B示出了表示本教导的被配置成用于具有2Vπ驱动的16QAM操作的马赫-曾德尔超结构调制器和已知的16QAM配置的马赫-曾德尔超结构调制器的实施方式的调制输出信号的星座图。图6B示出了针对16QAM模拟的改进，其中对于2Vπ情况，可以通过计算9.0/5.0＝1.8和3dB+10*log10(1.8)＝5.55dB(理论上)和5.79dB(模拟中)来计算插入损耗。与5.55dB的MIOL相比，这再次对应于5.79dB的MOIL改进。然而，当16QAM星座点不具有相等的汉明距离时，1QAM星座稍微失真。
图6C示出了表示本教导的被配置成用于具有2Vπ驱动和线性化的16QAM操作的马赫-曾德尔超结构调制器和已知的16QAM配置的马赫-曾德尔超结构调制器的实施方式的调制输出信号的星座图。在信号星座点具有相等的汉明距离为2的情况下，可以生成更线性的信号星座。这种线性度改进可以例如提高接收器灵敏度和/或使系统对损耗和噪声的容忍度更高。与理论上5.55dB的MOIL相比，该配置在MOIL中产生5.53dB的减小。换言之，我们已经在与现有技术的基于幅度和/或相位的光调制器相关联的发射器处恢复了大部分丢失信号功率。对于一些应用，MOIL的小幅增加对于线性度的相关改进而言非常值得。图6A至图6C指示用于同相相加情况的符号具有最大功率发送，这可能是优于其他16QAM调制方案的优点。
用于4QAM或QPSK实施方式的AC偏置的与数据相关的相移可以被实现为恰好是相等且相反的配置的
Figure GDA0003676963530000141
由于相等且相反的偏置相位被施加至母MZM 420的其和为
Figure GDA0003676963530000142
的两个臂412、414，尽管RF驱动信号是互补的，该偏置条件仍可以称为差分AC偏置驱动配置。然而，通常，对于每个臂412、414，与数据相关的AC偏置相位不一定具有相同的幅度。相反，在一些实施方式中，特别是那些具有较大星座的实施方式中，AC偏置相位被用作互补相位偏置。也就是说，所施加的AC偏置相位总计为90°，使得X°的AC偏置相位被施加至一个臂412，并且90-X°被施加至另一臂414。这是落在相位图的0-90°象限中的信号的情况。来自AC偏置的附加相位的作用是使与所需符号点的同相分量相关联的矢量和与所需符号点的正交分量相关联的矢量朝向彼此移动，使得它们相长地“同相”相加。注意，4QAM或QPSK实施方式的差分AC偏置驱动是具有相等幅度的互补相位偏置的特例。
因此，对于一些实施方式例如QPSK或4QAM，对于所有四个符号，可以选择π/4的互补相移，使得所有四个路径的总路径相移相等。也就是说，所施加的相位偏置的幅度是相同的大小。在各种其他实施方式中，特别是那些具有更大星座图尺寸的实施方式中，所施加的相位偏置的幅度并非都具有相同的大小。随着符号数量的增加，所施加的偏置相位通常在数量上增加。实际上，这些施加的偏置可以被预先确定并且在由控制设备403访问的查找表中提供。
图7A示出了用于16QAM星座的相位图700。图7B示出了与表示与图7A的相位图700相关联的符号的所发送的光载波的符号和相关联相位以及幅度的表750。参照两个图，符号点702包括具有幅度和相位角706的相应矢量704。所示的矢量704、708、710、716的幅度和相位角706、712、714指示在每个象限中存在三个相位角706、712、714，例如0至90度象限的三个相位角706、712、714。矢量710和矢量716具有相同的45度相位角712。矢量704、708、710、716的端部处的点表示表750中所示的四个符号752。对于表750中指示的四个符号752中的每一个，可以针对每个信号点例如点702确定要施加至每个电极481、491的互补AC偏置相位。在一些实施方式中，基于预先确定符号的互补相位可以存储在可以由控制设备403访问的查找表中。
本教导的一个特征在于，可以应用于双偏振复用IQ马赫-曾德尔调制器。与单偏振调制器相比，这种调制器可以有利地提供每个光载波两倍的数据容量。
图8示出了本教导的双极化IQ马赫-曾德尔超结构调制器系统800的实施方式。双极化IQ马赫-曾德尔超结构802包括两个IQ马赫-曾德尔超结构调制器804、806，一个IQ马赫-曾德尔超结构调制器在双极化IQ马赫-曾德尔超结构802的每个臂中。例如，这些IQ马赫-曾德尔超结构调制器804、806可以是结合图4描述的IQ马赫-曾德尔超结构调制器420。每个IQ马赫-曾德尔超结构调制器804、806由相应的控制设备808、810提供调制信号和偏置信号，所述控制设备808、810可以与如结合图4描述控制设备403相同或类似。输入光载波被分离以向双偏振马赫-曾德尔超结构802的每个臂中的IQ马赫-曾德尔超结构调制器804、806中的每一个提供光信号。在各种实施方式中，每个IQ马赫-曾德尔超结构调制器804、806通过向超结构调制器804、806中的一个或两个施加AC偏置来生成调制光信号，该调制光信号具有如本文所述的减小的MOIL和/或改进的线性化和/或改进的汉明距离。例如，这可以是DPSK、QPSK、8QAM、16QAM、64QAM或其他相位调制光信号中的任何一个。偏振旋转器用于使来自IQ马赫-曾德尔超结构调制器806的信号输出旋转，以在双偏振IQ马赫-曾德尔超结构802的输出处构建包括两个正交偏振中的调制光信号的输出信号。这有时被称为偏振复用光信号或双偏振光信号。
本教导的系统和方法可以应用于使用多种已知材料中的任何一种制造的MZM。例如，可以使用铌酸锂、磷化铟、砷化镓和/或硅光子技术来构建本教导的MZM调制器。MZM超结构同相和正交相位光调制器的一些实施方式可以另外包括两个子MZM。由于例如正交相加损耗、电驱动脉冲幅度调制信号的峰均功率比损耗以及/或者由于欠驱动子MZM生成nQAM信号而导致的损耗，因此本文描述的实施方式可以同时提高线性度并且减小MOIL。
本教导的系统和方法的一些实施方式包括电驱动两个高速相位调制器，这两个高速相位调制器通过彼此互补的与数据相关的相位角来使复平面(IQ)中的nQAM信号的同相和正交分量旋转。此外，一些实施方式可以实现本文描述的算法，以计算用于nQAM信号生成的两个互补相位角，nQAM信号生成允许以2Vπ的峰-峰电压摆幅或者1Vπ与2Vπ之间的电压摆幅来电驱动子同相正交MZM。替选地或附加地，本教导的系统和方法的一些实施方式构建了查找表，查找表存储发送侧的与双互补数据相关的相位角，该查找表可以被数字信号处理器访问，该数字信号处理器使用两个高速数模转换器以波特率生成与数据相关的相位角。
等同方案
尽管结合各种实施方式描述了申请人的教导，但并不旨在将申请人的教导限于这样的实施方式。相反，如本领域技术人员将理解的，申请人的教导包括各种替选、修改和等同方案，可以在不脱离本教导的精神和范围的情况下作出替选、修改和等同方案。

Claims (21)

1.一种对光学马赫-曾德尔超结构调制器进行调制的方法，所述方法包括以下步骤：
a)将第一调制信号施加至位于所述光学马赫-曾德尔超结构调制器的第一臂中的第一子马赫-曾德尔干涉式调制器以将第一调制相位赋予在第一光信号上；
b)将第二调制信号施加至位于所述光学马赫-曾德尔超结构调制器的第二臂中的第二子马赫-曾德尔干涉式调制器以将第二调制相位赋予在第二光信号上；
c)通过将第一AC偏置信号施加至光学马赫-曾德尔超结构的所述第一臂来对步骤a)的第一光信号进行相移；
d)通过将第二AC偏置信号施加至所述光学马赫-曾德尔超结构的所述第二臂来对步骤b)的第二光信号进行相移；以及
e)将步骤c)的第一光信号和步骤d)的第二光信号干涉地合并，以在输出处生成输出光信号，
其中，所述第一AC偏置信号和所述第二AC偏置信号中的至少一个AC偏置信号随着所述第一调制信号和所述第二调制信号中的至少一个调制信号的改变而改变。
2.根据权利要求1所述的对光学马赫-曾德尔超结构调制器进行调制的方法，其中，所述第一光信号上的相移角和所述第二光信号上的相移角是互补角。
3.根据权利要求1所述的对光学马赫-曾德尔超结构调制器进行调制的方法，还包括将所述光学马赫-曾德尔超结构调制器偏置到正交偏置点。
4.根据权利要求1所述的对光学马赫-曾德尔超结构调制器进行调制的方法，其中，将所述第一调制信号施加至所述第一子马赫-曾德尔干涉式调制器包括施加相移键控调制信号。
5.根据权利要求1所述的对光学马赫-曾德尔超结构调制器进行调制的方法，其中，将所述第一调制信号施加至所述第一子马赫-曾德尔干涉式调制器包括施加同相相移键控调制信号。
6.根据权利要求5所述的对光学马赫-曾德尔超结构调制器进行调制的方法，其中，将所述第二调制信号施加至所述第二子马赫-曾德尔干涉式调制器包括施加正交相移键控调制信号。
7.根据权利要求1所述的对光学马赫-曾德尔超结构调制器进行调制的方法，其中，将所述第一调制信号施加至所述第一子马赫-曾德尔干涉式调制器包括施加幅度调制信号。
8.根据权利要求1所述的对光学马赫-曾德尔超结构调制器进行调制的方法，其中，将所述第一调制信号施加至所述第一子马赫-曾德尔干涉式调制器包括施加同相幅度调制信号。
9.根据权利要求8所述的对光学马赫-曾德尔超结构调制器进行调制的方法，其中，将所述第二调制信号施加至所述第二子马赫-曾德尔干涉式调制器包括施加正交幅度调制信号。
10.根据权利要求1所述的对光学马赫-曾德尔超结构调制器进行调制的方法，其中，将所述第一调制信号施加至所述第一子马赫-曾德尔干涉式调制器包括施加Vπ峰-峰电压摆幅。
11.根据权利要求1所述的对光学马赫-曾德尔超结构调制器进行调制的方法，其中，将所述第一调制信号施加至所述第一子马赫-曾德尔干涉式调制器包括施加2Vπ峰-峰电压摆幅。
12.根据权利要求1所述的对光学马赫-曾德尔超结构调制器进行调制的方法，其中，所述第一AC偏置信号和所述第二AC偏置信号中的至少一个AC偏置信号基于在所述第一调制信号和所述第二调制信号中的至少一个调制信号中编码的特定符号而改变。
13.根据权利要求1所述的对光学马赫-曾德尔超结构调制器进行调制的方法，其中，选择所述第一AC偏置信号和所述第二AC偏置信号中的至少一个AC偏置信号提供所述光学马赫-曾德尔超结构调制器的期望的调制光插入损耗(MOIL)。
14.根据权利要求1所述的对光学马赫-曾德尔超结构调制器进行调制的方法，其中，选择所述第一AC偏置信号和所述第二AC偏置信号中的至少一个AC偏置信号以提供所述光学马赫-曾德尔超结构调制器的调制光插入损耗(MOIL)的减小。
15.根据权利要求14所述的对光学马赫-曾德尔超结构调制器进行调制的方法，其中，所述光学马赫-曾德尔超结构调制器的所述调制光插入损耗(MOIL)的减小包括所述调制光插入损耗(MOIL)的3dB的减小。
16.根据权利要求1所述的对光学马赫-曾德尔超结构调制器进行调制的方法，其中，选择所述第一AC偏置信号和所述第二AC偏置信号中的至少一个AC偏置信号以提供所述输出光信号的期望的线性度。
17.根据权利要求1所述的对光学马赫-曾德尔超结构调制器进行调制的方法，其中，选择所述第一AC偏置信号和所述第二AC偏置信号中的至少一个AC偏置信号以提供所述输出光信号的期望的汉明距离。
18.根据权利要求1所述的对光学马赫-曾德尔超结构调制器进行调制的方法，其中，通过将所述第一AC偏置信号施加至所述光学马赫-曾德尔超结构的第一臂来对所述第一光信号进行相移包括查询存储与数据相关的相位角的查找表。
19.根据权利要求1所述的对光学马赫-曾德尔超结构调制器进行调制的方法，其中，所述光学马赫-曾德尔超结构调制器使用铌酸锂、磷化铟、砷化镓和/或硅光子学技术中的至少一种来构造。
20.根据权利要求1所述的对光学马赫-曾德尔超结构调制器进行调制的方法，其中，所述输出光信号包括DPSK、QPSK、8QAM、16QAM和64QAM光信号中的至少一种。
21.根据权利要求1所述的对光学马赫-曾德尔超结构调制器进行调制的方法，还包括对所述输出光信号进行偏振多路复用。
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