CN113853755B - 一种多波长光源以及光芯片 - Google Patents
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Abstract
一种多波长光源以及光芯片，以提高波分复用通信系统通信系统的性能。该多波长光源包括依次耦合的激光器、光调制器、光混频器、光解复用器以及光功率调整器。其中，激光器，用于产生第一光信号；光调制器，用于对激光器产生的第一光信号进行调制，产生第二光信号，第二光信号包括至少两个波长分量；光混频器，用于基于第二光信号中的至少两个波长分量进行混频，产生第三光信号，第三光信号包括至少四个波长分量；解复用器，用于将第三光信号中的至少四个波长分量，从第三光信号中分离出来；光功率调整器，用于根据设定的功率阈值，调整解复用器分离得到的波长分量的功率。
Description
技术领域
本申请涉及光通信技术领域，尤其涉及一种多波长光源以及光芯片。
背景技术
目前，大多数波分复用(wavelength division multiplexing，WDM)通信系统中发送端对每个波长单独调制编码，相邻波长之间存在保护间隔(gap)，收端对每个波长的信号单独处理，导致频谱效率(spectrum efficiency，SE)显著下降，传输距离也大大缩短。
为了提高波分复用通信系统的性能(SE以及传输距离等)，超通道(superchannel)技术应运而生，即采用多个波长联合调制编码，每个波长之间无保护间隔，甚者允许存在一定的重叠，多个波长的信号采用一个光数字信号处理器(optical digitalsignal processor，ODSP)处理(非线性补偿、色散补偿)，多个波长的信号联合处理会能够显著提升高波分复用系统的频谱效率和传输距离。
在super channel技术中，各波长之间的频偏特性(多波长的中心频点相对稳定性)和相位相关性对于提高波分复用通信系的性能十分关键，因此在super channel技术中需要频偏特性稳定、相位特性相关、输出功率大的多波长光源。但是，业界尚未有能够满足上述特性的多波长光源。
发明内容
本申请提供了一种多波长光源以及光芯片，以提高波分复用通信系统的性能。
第一方面，本申请提供了一种多波长光源，该多波长光源包括：激光器，用于产生第一光信号；光调制器，用于对激光器产生的第一光信号进行调制，产生第二光信号，第二光信号包括至少两个波长分量；光混频器，用于基于第二光信号中的至少两个波长分量进行混频，产生第三光信号，第三光信号包括至少四个波长分量；解复用器，用于将第三光信号中的至少四个波长分量，从第三光信号中分离出来；光功率调整器，用于根据设定的功率阈值，调整解复用器分离得到的至少四个波长分量的功率。
通过上述方案，多波长光源通过激光器、光调制器以及光混频器的架构，可以产生相位关系和相对频偏较稳定、功率较高的多波长光信号，并且光调制器的调制幅度小，产生的光信号功率差损较小，使得多波长光源的差损较小，进而可以提高波分复用通信系统的性能。
一个可能的实施方式中，激光器包括但限于外腔激光器ECL、分布式布拉格反射镜DBR激光器、分布式反馈激光器DFB或者量子阱QW半导体激光器中的任意一种。
一个可能的实施方式中，光调制器可以为马赫-曾德尔调制器MZM。
一个可能的实施方式中，光混频器可以为四波混频半导体光放大器FWM SOA，FWMSOA不仅能够通过混频产生更多的波长分量，还能放大所产生的包含这些波长分量的第三光信号，有利于提高多波长光源最终输出的光信号的功率，并且第三信号中各个波长分量之间的功率差较小，有利于光功率调整器进行功率均衡。
一个可能的实施方式中，光功率调整器具体用于：当解复用器分离得到的波长分量的功率大于设定的功率阈值时，减小解复用器分离得到的波长分量的功率；当解复用器分离得到的波长分量的功率小于设定的功率阈值时，增大解复用器分离得到的波长分量的功率。
一个可能的实施方式中，光功率调整器包括至少四个半导体光放大器SOA，至少四个SOA与解复用器分离得到的至少四个波长分量一一对应。至少四个SOA分别用于调整各自对应的波长分量的功率。SOA可以放大波长分量的功率，进而可以减小波长分量在功率调整的过程中的差损，提高调整后的波长分量的功率。
一个可能的实施方式中，该多波长光源还可以包括波长锁定器，波长锁定器用于稳定激光器产生的第一光信号的波长，波长锁定器可以从激光器、调制器、光混频器、解复用器以及光功率调整器中任意一个进行分光，根据获得的光信号的波长与按照实际需求设定的第一光信号得到的分光处光信号的波长，控制激光器调整第一光信号的波长。
其中，波长锁定器可以分别与激光器以及解复用器耦合，用于检测解复用器分离得到的至少四个波长分量中任意一个的波长，当被检测的波长分量的波长超出设定的波长范围时，控制激光器调整第一光信号的波长。
一个可能的实施方式中，该多波长光源还包括驱动电路，驱动电路与光调制器耦合，用于向调制器输出驱动信号；光调制器具体用于：利用驱动电路输出的驱动信号对第一光信号进行调制，得到第二光信号；其中，第二光信号包括第一波长分量和第二波长分量，第一波长分量的频率为f0+fm，第二波长分量的频率为f0-fm，f0为第一光信号的频率，fm为驱动信号的频率。
一个可能的实施方式中，驱动电路通过感性导线(即导线的阻抗成感性)与光调制器耦合，且当驱动信号的频率为fm时，光调制器的转换效率最大。其中，感性导线可以通过金线(wire bond)工艺实现。
由于光调制器的阻抗成容性，利用感性导线与光调制器的阻抗可以构成LC谐振电路，使得该LC谐振电路在频率fm处谐振，进而使得光调制器的转换效率最大，进而可以实现在输入信号幅值一定的时获得更高的输出功率，降低驱动信号的功率。
一个可能的实施方式中，解复用器中光波导的材料为氮化硅SiNx，或者硅Si，或者二氧化硅SiO2，以通过游标效应扩大调谐范围，使得解复用器可以分离的光信号对应的波段在一定范围内可调。
一个可能的实施方式中，光功率调整器倒装耦合至解复用器，采用倒装耦合方式可以提升耦合效率，且能够减少多波长光源的尺寸。
一个可能的实施方式中，波长锁定器与解复用器集成在第一芯片中。由于波长锁定器可以与解复用器可以采用相同的光波导材料，比较容易实现单片集成，降低加工复杂度。
一个可能的实施方式中，激光器、光调制器以及光混频器集成在第二芯片中，使得多波长光源的结构紧凑。第二芯片可以采用异质材料混合单片集成，也可以采用同质材料(如磷化铟InP)单片集成。
一个可能的实施方式中，激光器、光调制器、光混频器以及光功率调整器集成在第二芯片中，使得多波长光源的结构紧凑。在波长锁定器与解复用器集成在第一芯片中的场景下，波多长光源包括第一芯片和第二芯片，整个多长光源的结构紧凑，体积较小，成本较低。
一个可能的实施方式中，第二芯片通过空间耦合方式或者倏逝波耦合方式与解复用器304耦合。具体地，在第二芯片中集成有激光器、光调制器以及光混频器的场景下，第二芯片中的光混频器通过空间耦合方式或者倏逝波耦合方式与解复用器耦合；在第二芯片中集成有激光器、光调制器、光混频器以及光功率调整器的场景下，第二芯片中的光混频器以及光功率调整器通过空间耦合方式或者倏逝波耦合方式与解复用器耦合。
一个可能的实施方式中，在第二芯片中集成有激光器、光调制器以及光混频器的场景下，当第二芯片通过空间耦合方式与解复用器耦合时，第二芯片中的光混频器具体可以通过透镜与解复用器耦合。在第二芯片中集成有激光器、光调制器、光混频器以及光功率调整器的场景下，第二芯片中的光混频器以及光功率调整器具体可以通过透镜与解复用器耦合。
一个可能的实施方式中，激光器、光调制器、光混频器、解复用器、光功率调整器以及波长锁定器集成在第三芯片中，即该多波长光源中各部件集成在一起。
第二方面，本申请还提供了一种光芯片，该光芯片包括上述第一方面任意一种可能的实施方式所述的多波长光源。
可以理解地，上述提供的任一种光芯片包括上述第一方面所述的多波长光源，因此，其所能达到的有益效果可参考第一方面所提供的对应的多波长光源中的有益效果，此处不再赘述。
附图说明
图1为现有技术中一种多波长光源的结构示意图；
图2为现有技术中另一种多波长光源的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种多波长光源的结构示意图之一；
图4为本申请实施例提供的一种多波长光源的结构示意图之二；
图5为本申请实施例提供的一种多波长光源的结构示意图之三；
图6为本申请实施例提供的一种多波长光源中驱动电路与光调制器之间的连接示意图；
图7为本申请实施例提供的一种多波长光源的结构示意图之三；
图8为本申请实施例提供的一种多波长光源的结构示意图之四；
图9为本申请实施例提供的一种多波长光源的结构示意图之五。
具体实施方式
在super channel技术中，各波长之间的频偏特性(多波长的中心频点相对稳定性)和相位相关性对于提高波分复用通信系统的性能十分关键。现有技术中，多波长光源(以四波长光源为例)主要通过以下两种方式实现：
方式一、通过马赫-曾德尔调制器(Mach-Zehnder modulator，MZM)级联实现多波长。如图1所示，该多波长光源由波长锁定器(locker)101、激光器(laser)102、两个级联的MZM 103和MZM 104、时钟系统105、驱动器106和驱动器107、移相器108以及波长选择开关(wavelength select switch，WSS)109这些分立器件组成。其中，波长锁定器101用于稳定激光器102产生的光信号的波长；激光器102通常采用商用的激光器，用于产生光信号；时钟系统105通常利用高精度的时钟仪表产生时钟信号，用于控制激光器102发射的光信号的波长间隔；驱动器106以及驱动器107用于放大时钟系统105产生的时钟信号；移相器108，用于调整驱动器107放大后的时钟信号的相位，以使MZM 104能够产生更多波长的光载波信号以及MZM 104的输出功率平坦；MZM 103，用于基于驱动器106放大的时钟信号，对激光器102产生的光信号进行调制；MZM 104，用于基于移相器108输出的信号，对MZM 103输出的光信号进行调制；WSS 109用于将MZM 104输出的光信号分解为多个光载波信号，并将多个光载波信号的功率衰减为相同值。
但是，每一级MZM会同时产生直流差损和调制差损，且WSS通过衰减的方式调平光功率，通常有约7～20db差损，进而导致上述多波长光源的转换效率较低，使得最终输出的多个光载波信号的功率非常低，无法满足功率预算，进而使得利用上述多波长光源产生的光载波信号进行数据传输时无法接收端的接收灵敏度要求。
方式二、通过4个独立的光源共享一个波长锁定器，实现多波长光源，其中，波长锁定器用于控制每个光源产生的光载波的相对频偏。如图2所示，该多波长光源包括4个独立的激光器201-激光器204，激光器201-激光器204共享一个波长锁定器205。
但是，激光器201-激光器204这四个激光器的相位噪声独立分布，没有相关性，进而导致波分复用通信系统的性能下降，并且每个光源产生的光载波的相对频偏的控制精度较低。
为了解决现有技术中存在的上述问题，本申请提供了一种多波长光源以及光芯片，以提高波分复用通信系统的性能。
另外，需要理解的是，在本申请的描述中，“多个”指两个或两个以上；“第一”、“第二”等词汇，仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。
本申请提供了一种多波长光源，应用于高波分复用通信系统，如图3所示，该多波长光源包括依次耦合的激光器301、光调制器302、光混频器303、光解复用器304以及光功率调整器305。其中，
激光器301，用于产生第一光信号。其中，激光器301包括但限于外腔激光器(external cavity laser，ECL)、分布式布拉格反射镜(distributed Bragg reflector，DBR)激光器、分布式反馈激光器(distributed feedback laser，DFB)或者量子阱(quantumwell，QW)半导体激光器中的任意一种。
光调制器302，用于对激光器301产生的第一光信号进行调制，产生第二光信号；其中，第二光信号包括至少两个波长分量。其中，光调制器302可以为马赫-曾德尔调制器MZM。
光混频器303，用于基于第二光信号中的至少两个波长分量进行混频，产生第三光信号，第三光信号包括至少四个波长分量。其中，光混频器303可以为四波混频(fourwavelength mixing，FWM)半导体光放大器(semiconductor optical amplifier，SOA)，FWMSOA不仅能够产生第三光信号，还能放大第三光信号，有利于提高多波长光源最终输出的光信号的功率，并且第三信号中各个波长分量之间的功率差较小，有利于光功率调整器305进行功率均衡。
解复用器(demux)304，用于将第三光信号中的至少四个波长分量，从第三光信号中分离出来。
光功率调整器305，用于根据设定的功率阈值，调整解复用器304分离得到的至少四个波长分量的功率。
进一步地，光功率调整器305具体用于：当解复用器304分离得到的波长分量的功率大于设定阈值时，减小解复用器304分离得到的波长分量的功率；当解复用器304分离得到的波长分量的功率小于设定阈值时，增大解复用器304分离得到的波长分量的功率，使得调整后的波长分量的功率与设定的功率阈值的差值在设定误差范围内，即调整后的至少四个波长分量的功率相等或近似相等。
进一步地，该多波长光源还可以包括波长锁定器，波长锁定器用于稳定激光器301产生的第一光信号的波长，波长锁定器可以从激光器301、调制器302、光混频器303、解复用器304以及光功率调整器305中任意一个进行分光，根据获得的光信号的波长与按照实际需求设定的第一光信号得到的分光处光信号的波长，控制激光器301将第一光信号的波长稳定在设定的范围内。
在具体实施中，波长锁定器以及解复用器可以采用相同的光波导材料，波长锁定器与解复用器比较容易实现单片集成，因此，波长锁定器通常从解复用器处分光，以调整激光器产生的第一光信号的波长。在这一场景下，如图4所示，波长锁定器306分别与激光器301以及解复用器304耦合，用于检测解复用器304分离得到的至少四个波长分量中任意一个的波长，当被检测的波长分量的波长超出设定的波长范围时，控制激光器301调整第一光信号的波长。
其中，波长锁定器306中同时集成光电探测器(photodetector，PD)和可变光衰减器(variable optical attenuator，VOA)，以实现光信号波长的精确闭环锁定。
进一步地，如图5所示，该多波长光源还包括驱动电路307，驱动电路307与光调制器302耦合，用于向调制器302输出驱动信号；光调制器302具体用于：利用驱动电路307输出的驱动信号对第一光信号进行调制，得到第二光信号；其中，第二光信号包括第一波长分量和第二波长分量，第一波长分量的频率为f0+fm，第二波长分量的频率为f0-fm，f0为第一光信号的频率，fm为驱动信号的频率。
进一步地，如图6所示，驱动电路307通过感性导线(即导线的阻抗成感性)与光调制器耦合，且当驱动信号的频率为fm时，光调制器302的转换效率最大。其中，感性导线可以通过金线(wire bond)工艺实现。由于光调制器302的阻抗成容性，利用感性导线与光调制器302的阻抗可以构成LC谐振电路，使得该LC谐振电路在频率fm处谐振，进而使得光调制器302的转换效率最大，进而可以实现在输入信号幅值一定的时获得更高的输出功率，降低驱动信号的功率。
下面以该多波长光源为四波长光源为例，对该多波长光源中每个器件的工作原理进行说明。激光器301产生第一光信号，第一光信号的波长为λ0，第一光信号的频率为f0；调制器302利用驱动电路307提供的驱动信号，对第一光信号进行调制得到的第二光信号，第二光信号中包括波长为λ21的第一波长分量和波长为λ22的第二波长分量，其中，第一波长分量的频率为f0+fm，第二波长分量的频率为f0-fm；光混频器303混频得到第三光信号中包括波长为λ21的第三波长分量和波长为λ22的第四波长分量、波长为λ31的第五波长分量和波长为λ32的第六波长分量，第三波长分量的频率为f0+fm，第四波长分量的频率为f0-fm，第五波长分量的频率为f0+3fm，第六波长分量的频率为f0-3fm；解复用器304将这四个波长分量从第三光信号中分离出来；光功率调整器305调整解复用器304得到的四个波长分量的功率，调整后的四个波长分量可以作为波分复用通信系统中的光载波。
在具体实施中，解复用器304可以通过多通道的可调带通滤波器实现，将光混频器303产生的第三信号中的干扰波长分量滤除，分别得到有用的波长分量，进而实现将第三光信号中的至少四个波长分量从第三光信号中分离出来。解复用器304中光波导的材料为氮化硅SiNx，或者硅Si，或者二氧化硅SiO2，以通过游标效应扩大调谐范围，使得解复用器304可以分离的光信号对应的波段在一定范围内可调。
进一步地，光功率调整器305倒装(flip chip)耦合至解复用器304，采用倒装耦合方式可以提升耦合效率，且能够减少多波长光源的尺寸。
进一步地，光功率调整器305包括至少四个半导体光放大器SOA，至少四个SOA与解复用器304分离得到的至少四个波长分量一一对应。至少四个SOA分别用于调整各自对应的波长分量的功率。SOA可以放大波长分量的功率，进而可以减小分离得到的波长分量在功率调整的过程中的差损，提高调整后的波长分量的功率。
在具体实施中，如图7所示，波长锁定器306与解复用器304集成在第一芯片310中。由于波长锁定器306可以与解复用器304可以采用相同的光波导材料，比较容易实现单片集成，降低加工复杂度。
在一个可能的实施方式中，如图8所示，激光器301、光调制器302以及光混频器303集成在第二芯片320中。第二芯片320可以采用异质材料混合单片集成，也可以采用同质材料(如磷化铟InP)单片集成。
进一步地，如图7所示，光功率调整器305也可以集成在第二芯片320中，即激光器301、光调制器302、光混频器303以及光功率调整器305均集成在第二芯片320。在波长锁定器306与解复用器304集成在第一芯片310中的场景下，该波多长光源包括第一芯片310和第二芯片320(如图7所示)，整个多长光源的结构紧凑，体积较小，成本较低。
进一步地，第二芯片320通过空间耦合方式或者倏逝波耦合方式与解复用器304耦合。具体地，在第二芯片320中集成有激光器301、光调制器302以及光混频器303的场景下，第二芯片320中的光混频器303通过空间耦合方式或者倏逝波耦合方式与解复用器304耦合。进一步地，当第二芯片320通过空间耦合方式与解复用器304耦合时，第二芯片320中的光混频器303具体可以通过透镜与解复用器304耦合，如图8所示。当第二芯片320通过倏逝波耦合方式与解复用器304耦合时，第二芯片320与解复用器304可以堆叠设置，进而可以减小多波长光源的体积。
具体地，在第二芯片320中集成有激光器301、光调制器302、光混频器303以及光功率调整器305的场景下，第二芯片320中的光混频器303以及光功率调整器305通过空间耦合方式或者倏逝波耦合方式与解复用器304耦合。进一步地，当第二芯片320通过空间耦合方式与解复用器304耦合时，第二芯片320中的光混频器303以及光功率调整器305具体可以通过透镜与解复用器304耦合，如图7所示。当第二芯片320通过倏逝波耦合方式与解复用器304耦合时，第二芯片320与解复用器304可以堆叠设置，进而可以减小多波长光源的体积。例如，在波长锁定器306与解复用器304集成在第一芯片310中的场景下，第一芯片310与第二芯片320堆叠设置，第一芯片310中的解复用器304与第二芯片320中的光混频器303以及光功率调整器305通过倏逝波耦合方式耦合。
在另一个可能的实施方式中，如图9所示，激光器301、光调制器302、光混频器303、解复用器304、光功率调整器305以及波长锁定器306集成在第三芯片330中，即该多波长光源中各部件集成在一起。具体地，第三芯片330可以采用InP单片集成。
通过上述方案，多波长光源通过激光器301、光调制器302以及光混频器303的架构，可以产生相位关系和相对频偏较稳定、功率较高的多波长光信号，并且光调制器302的调制幅度小，调制器效率高，产生的光信号功率差损较小，使得多波长光源的差损较小，进而可以提高波分复用通信系统的性能。
基于以上实施例，本申请还提供了一种光芯片，该光芯片包括上述任意一种实施方式提供的多波长光源。
应当理解的是，本申请提供的光芯片为一个完整的光芯片，也具备已知的光芯片具有的结构(如光探测器、光复用器等)，在此仅对光芯片中涉及多波长光信号产生的部件进行说明，对于其他部件不予赘述。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (16)
1.一种多波长光源，其特征在于，包括:
激光器，用于产生第一光信号；
光调制器，用于对所述第一光信号进行调制，产生第二光信号；其中，所述第二光信号包括至少两个波长分量；
光混频器，用于基于所述第二光信号中的至少两个波长分量进行混频，产生第三光信号；所述第三光信号包括至少四种波长分量；
解复用器，用于将所述第三光信号中的至少四个波长分量，从所述第三光信号中分离出来；
光功率调整器，用于根据设定的功率阈值，调整所述解复用器分离得到的波长分量的功率。
2.如权利要求1所述的多波长光源，其特征在于，所述光功率调整器具体用于：当所述解复用器分离得到的波长分量的功率大于所述功率阈值时，减小所述解复用器分离得到的波长分量的功率；当所述解复用器分离得到的波长分量的功率小于所述功率阈值时，增大所述解复用器分离得到的波长分量的功率。
3.如权利要求1或2所述的多波长光源，其特征在于，还包括：波长锁定器，所述波长锁定器分别与所述激光器以及所述解复用器耦合，用于检测所述解复用器分离得到的至少四个波长分量中任意一个的波长，当被检测的波长分量的波长超出设定的波长范围时，控制所述激光器调整所述第一光信号的波长。
4.如权利要求3所述的多波长光源，其特征在于，所述波长锁定器与所述解复用器集成在第一芯片中。
5.如权利要求1或2所述的多波长光源，其特征在于，还包括：驱动电路，所述驱动电路与所述光调制器耦合，用于向所述调制器输出驱动信号；
所述光调制器具体用于：利用所述驱动信号对所述第一光信号进行调制，得到所述第二光信号；其中，所述第二光信号包括第一波长分量和第二波长分量；所述第一波长分量的频率为f0+fm，所述第二波长分量的频率为f0-fm，f0为所述第一光信号的频率，fm为所述驱动信号的频率。
6.如权利要求5所述的多波长光源，其特征在于，所述驱动电路通过感性导线与所述光调制器耦合，且当所述驱动信号的频率为fm时，所述光调制器的转换效率最大。
7.如权利要求1或2所述的多波长光源，其特征在于，所述激光器、所述光调制器以及所述光混频器集成在第二芯片中。
8.如权利要求7所述的多波长光源，其特征在于，所述光功率调整器集成在所述第二芯片中。
9.如权利要求7所述的多波长光源，其特征在于，所述第二芯片通过空间耦合方式或者倏逝波耦合方式与所述解复用器耦合。
10.如权利要求3所述的多波长光源，其特征在于，所述激光器、所述光调制器、所述光混频器、所述解复用器、所述光功率调整器以及所述波长锁定器集成在第三芯片中。
11.如权利要求1或2所述的多波长光源，其特征在于，所述光功率调整器倒装耦合至所述解复用器。
12.如权利要求1或2所述的多波长光源，其特征在于，所述解复用器中光波导的材料为氮化硅SiNx，或者硅Si，或者二氧化硅SiO2。
13.如权利要求1或2所述的多波长光源，其特征在于，所述光混频器为四波混频半导体光放大器FWM SOA。
14.如权利要求1或2所述的多波长光源，其特征在于，所述光功率调整器包括至少四个半导体光放大器SOA，所述至少四个SOA与所述解复用器分离得到的至少四个波长分量一一对应；
所述至少四个SOA分别用于调整各自对应的波长分量的功率。
15.如权利要求1或2所述的多波长光源，其特征在于，所述光调制器为马赫-曾德尔调制器MZM。
16.一种光芯片，其特征在于，包括如权利要求1-15任意一项所述的多波长光源。
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