CN113904731A - 一种调制器及实现pam4调制的方法 - Google Patents

Abstract

本申请旨在提供一种结构紧凑、尺寸小、能够实现高阶调制的调制器及实现PAM4调制格式的方法，调制器包括至少一个环形波导、直形波导，至少一个环形波导中的每一个环形波导均与直形波导耦合，环形波导一侧接第一外接掺杂结构、第一内接掺杂结构，环形波导另一侧接第二外接掺杂结构、第二内接掺杂结构；第一外接掺杂结构、第一内接掺杂结构控制的环形波导段为第一环形波导段，第二外接掺杂结构、第二内接掺杂结构控制的环形波导段为第二环形波导段。实现了器件小型化，并且配合分段环形波导各长度设计与环形波导个数设计，可以排列组合实现各种类型的高阶信号调制，同时具备小型化与高阶信号调制效果。

Description

一种调制器及实现PAM4调制的方法

技术领域

本发明涉及一种调制器，以及实现PAM4调制的方法。

背景技术

随着云计算、AI、5G等技术的应用，产业对数据流量的需求呈爆炸性增长，容量需求的快速增长给数据中心架构及传输能力带来了巨大挑战。更大的容量、更高的传输速率等需求往往带来硬件技术提升的要求，高速光互联中，对于50Gb/s以上的信号速率，使用均衡技术难以优化非归零码（NRZ，Non Return Zero）调制系统。同时新的调制技术也随之产生，高阶调制是目前研究最多的调制技术，其中又以脉冲幅度调制（PAM，Pulse-amplitudemodulation）技术相对成熟，四脉冲PAM4是IEEE建议在56Gb/s速率以上的所有单通道串行器/解串器（serializer/deserializer, SERDES）首选的编码调制技术，也是未来下一代通信网络得以实现的关键。

微环调制器与马赫增德调制器是硅光调制技术中研究较多的技术，马赫增德调制器与高阶脉冲幅度调制技术相结合在电光调制领域研究的热门。近来，微环调制器与高阶脉冲幅度调制技术的研究也逐渐多起来。

发明内容

本申请旨在提供一种结构紧凑、尺寸小、能够实现高阶调制的调制器，包括至少一个环形波导、直形波导，至少一个环形波导中的每一个环形波导均与直形波导耦合，环形波导一侧接第一外接掺杂结构、第一内接掺杂结构，环形波导另一侧接第二外接掺杂结构、第二内接掺杂结构；第一外接掺杂结构、第一内接掺杂结构控制的环形波导段为第一环形波导段，第二外接掺杂结构、第二内接掺杂结构控制的环形波导段为第二环形波导段。

在某一些实施例中，第一环形波导段与第二环形波导段长度比为1：2，第一外接掺杂结构接第一电压信号，第二外接掺杂结构接第二电压信号，第一电压信号、第二电压信号电压值相等，以控制实现第一环形波导段、第二环形波导段传输光束的信号调制，此时该调制信号耦合之后为PAM4信号。在实现相同调制格式的要求下，第一环形波导段与第二环形波导段分别加载电信号，每段的电信号相对于直接向整个环形波导的电信号更简单，电信号切换速度更快，在高速应用场景中，能够有效降低一直困扰调制器中的电光失配，提高调制效率。

在另一些实施例中，第一环形波导段与第二环形波导段长度比为1：1，第一电压信号是第二电压信号值的2倍，第一外接掺杂结构接第一电压信号，控制光束经过第一环形波导段实现最高有效位（the Most Significant Bit ，MSB）调制。第二外接掺杂结构接第二电压信号，控制光束经过第二环形波导段实现最低有效位（the least significant bit,LSB）调制。

在某些实施例中，环形波导分割为若干段，配合环形波导段的数量与各段长度比，设计调制目标格式。例如环形波导被分割为3段，有效调制长度比为1：1：1，以实现PAM8调制。

在上述记载中的第一电压信号、第二电压信号为二进制信号，由信号发生器同时产生。在另外一些实施例中，第一电压信号、第二电压信号是高阶调制信号，以直接实现高阶调制。比如第一电压信号是PAM4调制信号，直接实现环形波导光束的PAM4调制。

在某些实施例中，环形波导设置为N个，包括第一环形波导、第二环形波导、……、第N个环形波导，第一环形波导到第N个环形波导均与直形波导耦合，第一环形波导、第二环形波导……第N个环形波导分别同时受第三电压信号、第四电压信号……第N+2电压信号控制，以实现高阶脉冲调制。

一种实现PAM4调制的方法，包括以下步骤：

步骤一：光束耦合进入环形波导；

步骤二：经第一外接掺杂结构、第一内接掺杂结构向环形波导加载第一电压信号，同时经第二外接掺杂结构、第二内接掺杂结构向环形波导加载第二电压信号，输出PAM4光信号。

环形波导为1个时，环形波导被分割为长度比为1：2的第一环形波导段、第二环形波导段。

环形波导为2个时，第一环形波导、第二环形波导同时加载第三电压信号、第四电压信号。

第一环形波导分为不等长度的至少2段调制段，第二环形波导分为不等长度的至少2段调制段，同时在第一环形波导段、第二环形波导段加载至少4个电压信号，实现高阶调制。

本申请具有以下有益效果：采用环形波导外接调制信号对光束进行调制，实现了器件小型化，并且配合分段环形波导各长度设计与环形波导个数设计，可以排列组合实现各种类型的高阶信号调制，同时具备小型化与高阶信号调制效果，同时还可以降低电信号与光信号的失配，实现更高的调制效率。

附图说明

图1为微环调制器100结构示意图；

图2为马赫增德调制器200结构示意图；

图3为调制器300结构示意图；

图4为调制器400结构示意图；

图5为调制器400的眼图示意图；

图6为调制器600结构示意图；

图7为调制器700结构示意图。

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。

光网络传输速率达到400G及以上时，需要应用单通道56G/112G速率，但是56G/112G的通道损耗及反射引入代价太大，NRZ技术很难突破。因此，低速率光通信调制多采用非归零码（NRZ），在高速传输领域主要采用PAM4编码。PAM4调制一般基于DSP的数字DAC实现方法和基于模拟的COMBINE方法，研究较多的是采用2个NRZ信号进行相加操作，一个PAM4编码经两个NRZ码生成，将其中先发的NRZ定义为最高有效位（the Most Significant Bit ，MSB），将后发的定义位最低有效位（the least significant bit, LSB）。设定NRZ的“1”电平幅度为2mW,那么LSB的“1”电平幅度为1mW,对应的PAM4各电平幅度即为：“10”对应2mW,“01”对应1mW, “11”对应3mW, “00”对应0mW。此为两电平信号经加法器生成四脉冲幅度调制信号“11”、“10”、“01”、“00”，合成四脉冲调制信号，在同样的波特率条件下，PAM4信号的传输速率是NRZ信号的两倍。

如图1所示，4电平调制信号“11”、“10”、“01”、“00”在电域合成后，加载到微环调制器100。光束经直波导耦合入微环波导，加载电平信号，输出PAM4调制光信号，经直波导输出，电域合成的PAM4信号加载到光波，输出PAM4光信号。

在某一些实施例中，直接在光域合成PAM4及以上高阶信号，获得调制效果更好的光信号，如图2所示，分段MZM调制器200上臂201、下臂202沿光传输方向被分割为四段调制臂，第一调制臂205、第二调制臂206、第三调制臂207、第四调制臂208长度比为1：2：4：8，第一调制臂205接受第一调制电压，第二调制臂接受第二调制电压206，第三调制臂207接受第三调制电压，第四调制臂208接受第四调制电压，第一调制电压、第二调制电压、第三调制电压、第四调制电压均为“1”、“0”的二进制信号。电域发送简单的二进制信号，在光波导段合成高阶光信号。

另外的实施例中，微环调制器分段加载电平信号，如图3所示微环调制器300分第一调制段301、第二调制段302，分别在第一调制段301与第二调制段302加载“0”、“1”的二进制电压信号，经微环调制器300合成后，耦合入长直波导。

如图4所示，调制器400设计环形波导403、长直波导402，第一外电极412、第一内电极411配合设置于环形波导403一侧，第二外电极422、第二内电极421配合设置于环形波导403另一侧。第一外电极412、第一内电极411、第二外电极422、第二内电极421长度根据调制信号格式设计。第一外电极412接收第一电压信号，第二外电极421接收第二电压信号，第一电压信号、第二电压信号均由信号发生器产生。在本实施例中第一外电极412、第一内电极配合实现调制的环形波导403中的波导长度为L，第二外电极422、第二内电极配合调制环形波导403中的波导段长度为2L。光束经长直波导402耦合进入环形波导403，加载第二电压信号经调制器400实现MSB信号调制，加载第一电压信号经调制器400实现LSB信号调制，经第一电压信号、第二电压信号配合调制，可产生的电平信号见下表。

表 1 调制电平产生列表

第一电压信号（L）	第二电压信号（2L）	调制电平
			0	0	0
1	0	1
			0	1	2
1	1	3

调制器400输出信号电眼图500表征如图5所示，分别产生电平“0”501、电平“1”502、电平“2”503、电平“3”504，可以实现4电平调制。在另外一些实施例中，设计分段数量及各分段比例，以实现更高调制格式。

在另一个实施例中，如图6所示，调制器600包括若干个环形波导601、602……60N,为方便描述以及公众理解，这里仅讨论调制器600包括第一环形波导601、第二环形波导602的情况，但其他多个环形波导方案，应当理解为本实施例的方案延伸。

调制器600包括第一环形波导601、第二环形波导602、长条形波导，第一环形波导601、第二环形波导602分别与长条形波导耦合，第一环形波导601外界电压信号一，第二环形波导602外接电压信号二。电压信号一由射频发生器产生，包括一个二进制信号。电压信号二由信号发生器产生，包括一个二进制信号。光束经长条形波导耦合进入第一环形波导601、第二环形波导602在电压信号一、电压信号二作用下实现PAM4信号调制。

在其他实施例中，第一环形波导601分为不等长度的至少2段调制段，第二环形波导602分为不等长度的至少2段调制段，同时在第一环形波导段601、第二环形波导段602加载至少4个电压信号，实现高阶调制。比如第一环形波导601分为2段，第二环形波导602被分为2段，同时在第一环形波导601、第二环形波导602加载第三电信号、第四电信号、第五电信号、第六电信号，其中第三电信号、第四电信号、第五电信号、第六电信号均为二进制信号，可以实现更高阶调制。当然，还可以采用第三电信号、第四电信号、第五电信号、第六电信号为PAM4信号时，实现更高阶格式的调制。

图7所示为实现PAM4调制的方法，包括：步骤1：光束耦合进入环形波导，环形波导各段/各环形波导经外接掺杂结构同时加载外接二进制调制信号。步骤二：环形波导各段/各环形波导调制后光信号耦合，环形波导传输光束实现PAM4信号调制。具体到调制器400中，第一外电极412接二进制调制信号“0”或“1”，第二外接电极422接二进制调制信号“0”或“1”，同时调制，经环形波导403耦合后，光域耦合产生PAM4光信号。

本申请中与调制器配合应用的硬件、软件虽未明确描述，但本领域技术人员应当清楚地了解到能够借助相关软件、硬件配合实现组合应用，如涉及到的通用存储介质、信号发生器、集成电路、通用元器件等。

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同等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 (10)

1.一种调制器，其特征在于：包括至少一个环形波导、直形波导，所述至少一个环形波导中的每一个环形波导均与所述直形波导耦合，所述环形波导一侧接第一外接掺杂结构、第一内接掺杂结构，所述环形波导另一侧接第二外接掺杂结构、第二内接掺杂结构；所述第一外接掺杂结构、第一内接掺杂结构控制的环形波导段为第一环形波导段，所述第二外接掺杂结构、第二内接掺杂结构控制的环形波导段为第二环形波导段。

2.根据权利要求1所述的调制器，其特征在于：所述第一环形波导段与所述第二环形波导段长度比为1：2。

3.根据权利要求1所述的调制器，其特征在于：所述第一外接掺杂结构接第一电压信号，所述第二外接掺杂结构接第二电压信号，所述第一电压信号、第二电压信号控制实现所述第一环形波导段、第二环形波导段传输光束的信号调制。

4.根据权利要求2所述的调制器，其特征在于：所述第一环形波导段、第二环形波导段分别加载二进制信号，控制经过所述环形波导的光束实现四电平脉冲幅度调制。

5.根据权利要求3所述的调制器，其特征在于：所述第一电压信号、第二电压信号为二进制信号，由信号发生器同时产生。

6.根据权利要求1所述的调制器，其特征在于：所述环形波导设置为2个，包括第一环形波导、第二环形波导，所述第一环形波导与所述直形波导耦合，所述第二环形波导与所述直行波导耦合，所述第一环形波导外接第三电压信号，所述第二环形波导外接第四电压信号，所述第三电压信号与所述第四电压信号控制所述光调制器产生四电平脉冲调制。

7.一种实现PAM4调制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：光束耦合进入环形波导；

步骤二：经环形波导中的第一外接掺杂结构、第一内接掺杂结构向所述环形波导加载第一电压信号，同时经环形波导中的第二外接掺杂结构、第二内接掺杂结构向所述环形波导加载第二电压信号，所述第一电压信号、第二电压信号为二进制信号，控制环形波导输出PAM4光信号。

8.根据权利要求7所述的调制方法，其特征在于：所述环形波导为1个时，所述环形波导被分割为长度比为1：2的所述第一环形波导段、所述第二环形波导段。

9.根据权利要求7所述的调制方法，其特征在于：所述环形波导为2个时，所述第一环形波导、第二环形波导同时加载第三电压信号、第四电压信号。

10.根据权利要求9所述的调制方法，其特征在于：所述第一环形波导分为不等长度的至少2段调制段，所述第二环形波导分为不等长度的至少2段调制段，同时在所述第一环形波导、所述第二环形波导加载至少4个电压信号，实现高阶调制。

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