CN113805363B - 一种突发发送的硅光调制器装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种突发发送的硅光调制器装置，包括发连续光的激光光源、硅光器件及控制单元，所述硅光器件包括硅基光调制器、硅基光开关、硅基监控光电二极管，其中：所述激光光源处于连续发光模式；在没有数据发送时，所述控制单元生成调制器偏压控制信号并根据接收自硅基监控光电二极管的监测信号调整硅基光调制器的工作参数，从而保证正常发送数据时发送波形稳定；在有数据发送时，所述控制单元生成光开关控制信号控制所述硅基光开关打开允许硅基光调制器输出的调制后的光信号通过，生成调制后的突发光信号。本发明还提供了相应的突发发送的硅光调制器装置的控制方法。

Description

一种突发发送的硅光调制器装置及控制方法

技术领域

本发明属于时分复用无源光网络技术领域，更具体地，涉及一种突发发送的硅光调制器装置及控制方法。

背景技术

无源光网络PON(Passive Optical Network，无源光纤网络)技术是一点到多点的光纤接入技术，它由局侧的OLT(Optical Line Terminal，光线路终端)、用户侧的ONU(Optical Network Unit，光网络单元)以及ODN(Optical Distribution Network，光分配网络)组成。传统的TDM PON(Time-Division Multiplexing Passive Optical Network，时分复用无源光纤网络)系统下行数据流采用广播技术、上行数据流采用TDMA(TimeDivision Multiple Access，时分多址)技术，以解决多用户每个方向信号的复用问题。从ONU到OLT称为上行，采用TDMA技术。OLT的接收部分和ONU的发送部分都是突发工作模式；ONU光发送机必须能够快速开关，开关时间必须在10ns左右，当发射机不发送数据时只能有极小的光功率，一般比对端的接收灵敏度低10dB。

硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料，利用现有CMOS(Complementary MetalOxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺进行光器件开发和集成的新一代技术，结合了超大规模应用集成电路技术的超高精度制造的特性来实现光子技术的超高速率、远距离传送的目的，在光传输网和数据中心已经开始规模应用。由于硅光的CMOS工艺在大批量的情况下能够较容易降低成本，因此在高速PON这种需要大规模部署领域有很好的应用前景。

然而，由于硅材料较难自身发光并且插损很大，通常需要外置高功率激光器作为光源。这个在通常的连续发送数据的应用中问题不大，但是在需要突发发送数据PON应用中，由于高功率激光器需要大输出电流进行驱动，而大的输出电流对应的激光驱动器电路的输出驱动管比较大，管子的尺寸增大会导致较大的寄生电容，使激光器开关时间变长。

同时，硅光调制器的光功率与偏置电压响应在不同输入光功率、不同工作寿命等条件下，比较容易发生漂移，为了解决这个问题，通常在硅光调制器发送数据的时候在上面偏压上加一个扰动电压，通过监测调制器对扰动电压的光响应然后再对偏压进行补偿调整。然而，在发送数据上增加扰动信号会对正常的数据发送造成影响，使其误码率增加。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种突发发送的硅光调制器装置及控制方法，由激光光源提供连续发光，通过控制单元控制硅基光开关，实现了高速数据的突发发送。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种突发发送的硅光调制器装置，包括发连续光的激光光源、硅光器件及控制单元，所述硅光器件包括硅基光调制器、硅基光开关、硅基监控光电二极管，其中：

所述激光光源处于连续发光模式；

在没有数据发送时，所述控制单元生成调制器偏压控制信号并根据接收自硅基监控光电二极管的监测信号调整硅基光调制器的工作参数，从而保证正常发送数据时发送波形稳定；

在有数据发送时，所述控制单元生成光开关控制信号控制所述硅基光开关打开允许硅基光调制器输出的调制后的光信号通过，生成调制后的突发光信号。

本发明的一个实施例中，所述硅基光调制器用于接收高速调制电信号，对从激光光源发过来的连续光进行调制，从而生成调制后的光信号，其中所述高速调制电信号中包含需要发送的数据。

本发明的一个实施例中，所述硅基光调制器还接收控制单元发送的调制器偏压控制信号，对硅基光调制器的工作点进行控制，以使所述硅基光调制器工作在最佳控制点。

本发明的一个实施例中，所述硅基监控光电二极管用于接收所述硅基光调制器输出的一部分调制后的光信号，并监控所述调制后的光信号的状态信息得到监测信号，并将所述监测信号反馈给所述控制单元。

本发明的一个实施例中，所述硅基光调制器输出的调制后的光信号到达所述硅基光开关，所述硅基光开关根据控制单元发出的光开关控制信号来控制调制后的光信号是否真正地对外发出。

本发明的一个实施例中，所述控制单元用于接收突发发送控制信号和硅基监控光电二极管的监测信号，生成调制器偏压控制信号和光开关控制信号。

本发明的一个实施例中，在没有数据发送时，突发发送控制信号抑制，控制单元通过光开关控制信号关闭硅基光开关，避免光泄露到外部。

本发明的一个实施例中，控制单元还用于在一定范围内调节调制器偏压控制信号由大到小或由小到大进行变化，调制器偏压控制信号变化的同时对硅基监控光电二极管的输出监测信号进行记录，控制单元对记录的数据进行分析，找到最佳控制点并设置最佳调制器偏压控制信号。

本发明的一个实施例中，在有数据发送时，控制单元根据突发发送控制信号使能，通过光开关控制信号驱动硅基光开关开启，将调制后的光信号发送出去。

按照本发明的另一方面，还提供了一种突发发送的硅光调制器装置的控制方法，包括：

控制单元根据突发发送控制信号判断是否有数据发送；

如果有数据发送，则控制单元通过光开关控制信号打开硅基光开关，将经过硅基光调制器调制后的光信号发送出去；

如果没有数据发送，则控制单元通过光开关控制信号关闭硅基光开关；并调节调制器偏压控制信号的大小变化，根据硅基监控光电二极管的输出监测信号，找到最佳控制点并设置最佳调制器偏压控制信号，并等待数据发送。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明在硅光技术中采用与硅基光调制器相同工艺的硅基光开关来实现高速的突发控制，同时在硅基光开关关闭的间隙时间内通过控制单元实现对硅基光调制器的工作参数进行调整，具有响应速率快、成本低等特点；

(2)本发明所采用的激光光源处于长发光状态，不用考虑突发控制，光功率更稳定，容易实现大光功率输出；

(3)本发明在光开关关闭期间进行参数调整，对数据发送无影响，参数调整范围大、调整算法直接且收敛快；

(4)本发明在电路上光开关的低速突发控制和数据调制信号是分开的，高速的调制速率更易实现，从而对硅光技术在光接入PON领域推广和应用有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例中突发发送的硅光调制器装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中突发发送的硅光调制器中主要信号示意图；

图3为本发明实施例中突发发送的硅光调制器装置的控制方法示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为了解决现有技术存在的问题，如图1所示，本发明提供了一种突发发送的硅光调制器装置，包括：发连续光的激光光源(例如采用LD光源)、硅光器件及控制单元，所述硅光器件包括硅基光调制器、硅基光开关、硅基监控光电二极管，其中：

所述激光光源处于连续发光模式；即无论是否发送数据，激光光源一直处于发光状态，而是通过硅基光开关来控制突发发送。

在没有数据发送时，所述控制单元生成调制器偏压控制信号并根据接收自硅基监控光电二极管的监测信号调整硅基光调制器的工作参数，从而保证正常发送数据时发送波形稳定；

在有数据发送时，所述控制单元生成光开关控制信号控制所述硅基光开关打开允许硅基光调制器输出的调制后的光信号通过，生成调制后的突发光信号。

其中，所述硅基光开关的开关速率达到ns级(参考《物理学报硅基光波导开关技术综述涂鑫等Vol.68,No.10(2019)104210》，如业内采用与硅基马赫-曾德尔MZ调制器相同工艺制作的电光硅基MZ型光开关，开关速率可达4ns；采用与硅基微环调制器MRR相同工艺制作的MRR型光开关，开关速率可小于1ns)，实现光信号的ns级突发，而且硅基光开关与硅基光调制器采用相同的工艺生产，便于实现低成本。

进一步地，发连续光的激光光源，由于硅材料插损很大，此处的外置激光光源为高功率激光器。因为此处的激光光源处于连续发光状态，就可以进行连续发光状态下的激光器APC(Automatic Power Control，自动功率控制)，使激光光源的发光功率处于稳定状态，而不必用采用突发发光模式下复杂的激光器自动功率控制。同时激光光源处于连续发光模式，无论是否发送数据，激光光源一直处于发光状态，通过硅基光开关来控制突发发送。硅基光开关的开关速率达到ns级，从而解决高功率激光器开关时间过长的问题。

硅基光调制器接收高速调制电信号，高速调制电信号中包含需要发送的数据，对从激光光源发过来的连续光进行调制，从而生成调制后的数据光信号。

所述硅基光调制器还接收控制单元发送的调制器偏压控制信号，对硅基光调制器的工作点进行控制，以使所述硅基光调制器工作在最佳控制点。

所述硅基监控光电二极管用于接收所述硅基光调制器输出的一部分调制后的光信号，并监控调所述调制后的光信号的状态信息(如发送数据时的光功率、对调制器工作点调整时光信号的光功率等)得到监测信号，并将所述监测信号反馈给所述控制单元。

所述硅基光调制器输出的调制后的光信号到达所述硅基光开关，所述硅基光开关根据控制单元发出的光开关控制信号来控制调制后的光信号是否真正地对外发出。

控制单元接收突发发送控制信号和硅基监控光电二极管的监测信号(在PON系统中，突发发送控制信号是ONU的MAC从外部发出来的，硅基监控光电二极管监测信号是内部监测产生的，两者没有直接的关系)，生成调制器偏压控制信号和光开关控制信号。在没有数据发送时，突发发送控制信号抑制(通常为低)，控制单元根据此逻辑通过光开关控制信号关闭硅基光开关，避免光泄露到外部；另外，控制单元在一定范围内控制调制器偏压控制信号由大到小或由小到大进行变化，调制器偏压控制信号变化的同时对硅基监控光电二极管的输出监测信号进行记录，控制单元对记录的数据进行分析，找到最佳控制点并设置调制器偏压控制信号，以硅基MZ调制器为例，分析在施加不同偏置电压时MZ的光功率,找到达到最小值时所对应的偏置电压以及达到最大值时，再根据调制峰值电压的大小，即可找到最佳控制点(具体实施细节可参考“CN106773144B一种用于硅光调制器自动偏压控制的电压处理方法及装置”)。在有数据发送时，突发发送控制信号使能(通常为高)，控制单元根据此逻辑通过光开关控制信号开启硅基光开关，从而将调制好的数据光信号发送出去。突发发送控制信号是ONU的MAC从外部发出来的，要发送数据之前，外部的ONU MAC会发一个突发发送控制信号过来触发，这个信号是ONU MAC的已有信号。

如图2所示为本发明中主要信号示意举例，其中激光光源连续光由于不参与突发处理，一直处于连续发光状态，所以出光功率恒定为一条近似直线。突发发送控制信号在无数据发送时为低电平，有数据发送时为高电平。高速调制电信号在有数据发送时为高速数据编码及调制驱动信号，无数据时为低电平(以在PON系统的现有技术为例，ONU MAC内部，高速数据信号和突发发送控制信号之间是有关联的，即要发送高速数据之前，外部的ONUMAC会发一个突发发送控制信号)。调制器偏压控制在突发发送为去使能时，控制偏压进行高低变换，变换完成后根据监控信号对应的高低光功率、调制峰值电压计算的结果锁定到最佳控制点，如果正在进行高低电平变化时突发发送控制信号突然使能，则立即将偏压锁定到上次的最佳控制点。调制后的光信号除了高速数据对应的光信号外，还有偏压进行高低变换调整时对应的高低变换的光信号。监测信号主要反应的是高低变换的光信号以及高速数据光信号对应的光功率，控制单元根据此信号进行计算。光开关控制信号基本与突发发送控制信号同步，但是其电压或电流参数需要符合驱动硅基光开关的要求，同时，由于硅基光开关与光调制器采用相同的硅基工艺制作，因此，硅基光开关的控制参数与光调制器调偏压控制点有一定的相关性，控制器还可根据计算出来的最优偏压控制点对光开关控制信号的参数进行微调(由于采用相同的工艺制作，因此光开关的控制电压与调制器偏压成一定比例关系)，以达到硅基光开关的最优效果。调制后的突发光信号为最终对外发出的光信号，由于突发信号有少量前导和保护码，因此硅基光开关的反应时间并不会影响数据的正常收发。

进一步地，如图3所示，为本发明实施例中一种突发发送的硅光调制器装置的控制方法，包括：

S1、控制单元根据突发发送控制信号判断是否有数据发送；

S2、如果有数据发送，则控制单元通过光开关控制信号打开硅基光开关，将经过硅基光调制器调制后的光信号发送出去；

S3、如果没有数据发送，则控制单元通过光开关控制信号关闭硅基光开关；并调节调制器偏压控制信号的大小变化，根据硅基监控光电二极管的输出监测信号，找到最佳控制点并设置最佳调制器偏压控制信号，并等待数据发送。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种突发发送的硅光调制器装置，其特征在于，包括发连续光的激光光源、硅光器件及控制单元，所述硅光器件包括硅基光调制器、硅基光开关、硅基监控光电二极管，其中：

所述激光光源处于连续发光模式；

在没有数据发送时，所述控制单元生成调制器偏压控制信号并根据接收自硅基监控光电二极管的监测信号调整硅基光调制器的工作参数，从而保证正常发送数据时发送波形稳定；

在有数据发送时，所述控制单元生成光开关控制信号控制所述硅基光开关打开允许硅基光调制器输出的调制后的光信号通过，生成调制后的突发光信号；

所述硅基光调制器用于接收高速调制电信号，对从激光光源发过来的连续光进行调制，从而生成调制后的光信号，其中所述高速调制电信号中包含需要发送的数据；

所述硅基光调制器还接收控制单元发送的调制器偏压控制信号，对硅基光调制器的工作点进行控制，以使所述硅基光调制器工作在最佳控制点。

2.如权利要求1所述的突发发送的硅光调制器装置，其特征在于，所述硅基监控光电二极管用于接收所述硅基光调制器输出的一部分调制后的光信号，并监控所述调制后的光信号的状态信息得到监测信号，并将所述监测信号反馈给所述控制单元。

3.如权利要求1所述的突发发送的硅光调制器装置，其特征在于，所述硅基光调制器输出的调制后的光信号到达所述硅基光开关，所述硅基光开关根据控制单元发出的光开关控制信号来控制调制后的光信号是否真正地对外发出。

4.如权利要求1所述的突发发送的硅光调制器装置，其特征在于，所述控制单元用于接收突发发送控制信号和硅基监控光电二极管的监测信号，生成调制器偏压控制信号和光开关控制信号。

5.如权利要求4所述的突发发送的硅光调制器装置，其特征在于，在没有数据发送时，突发发送控制信号抑制，控制单元通过光开关控制信号关闭硅基光开关，避免光泄露到外部。

6.如权利要求1所述的突发发送的硅光调制器装置，其特征在于，控制单元还用于在一定范围内调节调制器偏压控制信号由大到小或由小到大进行变化，调制器偏压控制信号变化的同时对硅基监控光电二极管的输出监测信号进行记录，控制单元对记录的数据进行分析，找到最佳控制点并设置最佳调制器偏压控制信号。

7.如权利要求1所述的突发发送的硅光调制器装置，其特征在于，在有数据发送时，控制单元根据突发发送控制信号使能，通过光开关控制信号驱动硅基光开关开启，将调制后的光信号发送出去。

8.基于权利要求1-7任一项所述的突发发送的硅光调制器装置的控制方法，其特征在于，包括：

控制单元根据突发发送控制信号判断是否有数据发送；

如果有数据发送，则控制单元通过光开关控制信号打开硅基光开关，将经过硅基光调制器调制后的光信号发送出去；

如果没有数据发送，则控制单元通过光开关控制信号关闭硅基光开关；并调节调制器偏压控制信号的大小变化，根据硅基监控光电二极管的输出监测信号，找到最佳控制点并设置最佳调制器偏压控制信号，并等待数据发送。

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