CN115136070A - Mach-Zehnder调制器 - Google Patents
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Abstract
一种电光Mach‑Zehnder调制器(100)，包括第一和第二光学波导(114a，114b)，以及形成分布在光学波导(114a，114)的长度上的诸分段的多对电光移相器(122a，122b)，对于每一对，每个光学波导(114，114b)一个相移器(122，122b)，其中所述电光移相器被配置用于对光学信号进行调相。此外，该调制器包括至少一个交叉元件(140)，该交叉元件被配置以使光学波导在两个分段(118)之间交叉。
Description
技术领域
本发明涉及光学通信链路的领域。更具体地说，它涉及用于这些光学通信链路的光学调制器。
背景技术
仍呈指数增长的互联网数据话务继续推动对更高带宽光学通信链路的需求。图1中示出了此类通信链路的示例性框图。光学通信链路包括其特性适合驱动电光调制器的电子驱动器，该驱动器将符号流转换成模拟信号。然后，该调制器利用这些符号来调制光学载波的振幅或相位，该光学载波通常由合适的光源(如激光器)生成。然后通过例如光纤将该光学信号传输到光电检测器。在接收器侧，光电检测器将经调制的光学信号转换回电信号，然后由低噪声电子接收器放大，并再次提取所传输的符号。更一般而言，模拟信号(诸如无线电信号)也可以按类似方式传输。
上述对更多带宽的快速增长的需求可能超过驱动器电子设备、电光调制器、光电检测器或接收器可以达到的带宽。此外，由传输信道引入的信号失真(例如由于光纤的色散)可能会损坏接收到的信号，从而再次事实上限制有用带宽。
当今，存在克服这种带宽限制的若干方法。在电气领域中使用合适的模拟滤波，例如可以在驱动器侧或接收器侧添加频域中的峰化(peaking)，这有助于提高带宽(称为连续时间线性均衡)。虽然实现相对简单，但该方法的缺点是可实现滤波器形状的自由度受到限制，需要反转光学通信信道引入的失真。或者，可以使用实现成例如前馈均衡器(FFE，其中输出由输入信号的经延迟版本的线性组合组成，具有可调权重或抽头系数)的有限脉冲响应滤波器，可能与判决反馈均衡器结合使用。这些可以在模拟域或数字域中被实现。在数字域中，甚至可以使用更复杂的技术，诸如最大似然序列估计。这些技术的优点是其克服带宽限制或其他形式的信号失真的能力显著提高。然而，实现复杂度可能相当大。此外，对于高波特率光学通信链路，可能需要耗电的高采样率模数和/或数模转换器。
因此，需要允许增加光学通信链路的带宽的良好的构建块、系统和方法。
发明内容
本发明的实施例的目标是提供一种良好的Mach-Zehnder(Mach Zehnder)调制器。
以上目的由根据本发明的方法和设备来实现。
在第一方面，本发明的实施例涉及一种电光Mach-Zehnder调制器。该调制器包括：
第一和第二光学波导，
配置用于将传入光学信号拆分成在第一光学波导上的第一光学信号和在第二光学波导上的第二光学信号的光学拆分器，以及配置用于组合来自光学波导的光学信号的光学组合器，
分布在光学波导的长度上的多对电光移相器，对于每一对，每一光学波导一个移相器，每一对形成所述调制器的一个分段，其中所述电光移相器被配置以通过电信号对所述光学信号进行调相，
至少一个交叉元件，其被配置以使所述光学波导在两个分段之间交叉。
在本发明的实施例中，Mach-Zehnder调制可包括至少一个延迟元件，该延迟元件被配置用于在两个分段之间延迟光学信号。
在本发明的实施例中，Mach-Zehnder调制器可包括与移相器的输入相连接的至少一个传输线，使得可以通过在该至少一个传输线上行进的电信号来对光学信号进行调相。
在本发明的实施例中，组合器或拆分器可包括用于光波导之一的90°移相器。
在本发明的实施例中，对于不同的相邻分段而言，相邻分段之间的距离可以相同。
根据本发明的实施例的电光Mach-Zehnder调制器可包括光学网络，所述光学网络被配置以在相邻分段之间的光学波导的直接连接和/或相邻分段之间的交叉元件和/或所述相邻分段之间的延迟元件之间切换。
在本发明的实施例中，至少一个延迟元件包括配置用于引入光学延迟的光学构建块。
在本发明的实施例中，诸分段是相等的。
或者，移相器的长度可以在不同的移相器对之间变化。
根据本发明的实施例的电光Mach-Zehnder调制器可被配置以使得，在操作中，电信号和光学信号在同一方向上传播。
根据本发明的实施例的电光Mach-Zehnder调制器可被配置以使得，在操作中，电波和光波相向地传播。
根据本发明的实施例的电光Mach-Zehnder调制器可包括一个或多个偏置电路，所述一个或多个偏置电路被配置以分开地偏置所述移相器对中的至少一个移相器。
在本发明的实施例中，交叉元件或延迟元件可以存在于每个相邻分段之间。
在本发明的实施例中，Mach-Zehnder调制器可包括第一传输线和第二传输线，其中第一传输线与第一移相器的输入相连接并且第二传输线与第二移相器的输入相连接。
在本发明的实施例中，Mach-Zehnder调制器可以被配置以在传输线的第一端处的第一传输线和第二传输线的输入端之间施加电信号，并且传输线的相对第二端可以在它们之间以预定义阻抗来端接。
在第二方面，本发明的实施例涉及一种通信链路，该通信链路包括发射器、接收器以及发射器和接收器之间的光学链路。发射器包括根据前述权利要求中的任一项的电光Mach-Zehnder调制器。
在第三方面，本发明的实施例涉及一种用于设计根据本发明的实施例的Mach-Zehnder调制器的方法。该方法包括在调制器的分段之间引入至少一个交叉元件和/或至少一个延迟元件，以获得预定义的传递函数。
在所附独立和从属权利要求中阐述了本发明的特定和优选方面。来自从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征以及其他从属权利要求的特征适当地结合，而不仅仅是如在权利要求中明确阐述的那样。
根据此后所描述的(诸)实施例，本发明的这些方面和其他方面将是显而易见的，并且参考这些实施例阐明了本发明的这些方面和其他方面。
附图说明
图1示出了通信链路的框图。
图2示出了具有N对移相器的周期性地加载的行波Mach-Zehnder调制器(MZM)的框图。
图3示出了图2的MZM的等效框图。
图4示出了具有10对移相器的MZM的框图。
图5示出了图4的MZM的等效框图。
图6示出了根据本发明的实施例的行波MZM的框图，其中在两个分段之间引入了光学延迟元件。
图7示出了图6的MZM的等效框图。
图8示出了根据本发明的实施例的行波MZM的框图，其中在两个分段之间引入了光学交叉元件。
图9示出了图8的MZM的等效框图。
图10和图11示出了根据本发明的实施例的MZM的示意框图。
图12示出了图11的MZM的等效框图。
图13示出了根据本发明的实施例的经整形的MZM的仿真功率传递除以标准MZM的仿真功率传递，其中功率传递是从Mach-Zehnder调制器的电输入到调制器的光输出来仿真的。
图14示出了用于硅集成光子学平台的、图11的经整形的MZM 100的布局。
图15示出了用作一对移相器的具有邻接N区的一对PN结的分段截面。
图16示出了用作一对移相器的具有邻接N区的一对PN结的分段截面。
图17和18示出了图15和图16中的截面的可能的电气示意图。
图19示出了具有GSSG结构的一对PN结的分段截面。
图20示出了图19所示的具有2个分开的PN结的截面的电气示意图。
图21示出了具有GSSG结构的一对PN结的分段截面。
图22示出了图21所示的截面的电气示意图。
图23示出了具有GS结构的一对PN结的分段截面。
图24示出了图23所示的截面的电气示意图。
图25示出了根据本发明的实施例的经整形的MZM的仿真和测得的功率传递以及标准MZM的仿真和测得的功率传递。
图26示出了图25的经整形的MZM的仿真和测得的功率传递除以图25的标准MZM的仿真和测得的功率传递。
图27示出了用于验证根据本发明的实施例的MZM并将其与标准MZM进行比较的测试设置。
图28示出了针对经整形的MZM和标准MZM的、因变于入射到EDFA上的功率的所获得的误码率。
图29示出了针对经整形的MZM和标准MZM的所获得的眼图。
图30示出了根据本发明的实施例的包括不同偏置电路的经整形的MZM的示意图。
图31示出了连续MZM设计的示意图，其中该对移相器对于延迟元件和交叉元件被中断。
图32示出了根据本发明的实施例的标准MZM和经整形的MZM的因变于Vπ的3dB EO带宽。
图33示出了根据本发明的实施例的通信链路的示意图。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
在不同的附图中，相同的附图标记指代相同或相似的要素。
具体实施方式
将参照具体实施例并且参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求书来限定。所描述的附图仅是示意性的而非限制性的。在附图中，出于说明性目的，要素中的一些要素的尺寸可被放大且未按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于对本发明的实施的实际缩减。
说明书中和权利要求书中的术语第一、第二等用于在类似的要素之间进行区分，而不一定用于描述时间上、空间上、等级上或以任何其他方式的顺序。应理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文中所描述的本发明的实施例能够以与本文中所描述或图示的不同的顺序来进行操作。
此外，说明书和权利要求中的术语顶部、下方等等是用于描述性目的并且不一定用于描述相对位置。应理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文中所描述的本发明的实施例能够以与本文中所描述或图示的取向不同的取向进行操作。
要注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限定于其后列出的装置；它并不排除其他要素或步骤。因此，该术语应被解释为指定如所提到的所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或组件、或其群组的存在或添加。因此，表述“一种包括装置A和装置B的设备”的范围不应当限于仅由组件A和组件B组成的设备。这意味着就本发明而言设备的仅有的相关组件是A和B。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合该实施例所描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”贯穿本说明书在各个地方的出现并不一定全部指代同一实施例，而是可以指代同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如通过本公开将对本领域普通技术人员显而易见的，特定的特征、结构或特性能以任何合适的方式进行组合。
类似地，应当领会，在本发明的示例性实施例的描述中，出于精简本公开和辅助对各个发明性方面中的一个或多个的理解的目的，本发明的各个特征有时一起被编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，该公开方法不应被解释为反映要求保护的发明要求比每一项权利要求中明确记载的特征更多的特征的意图。相反，如所附权利要求所反映，发明性方面存在于比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征中。因此，具体实施方式之后所附的权利要求由此被明确纳入本具体实施方式中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独实施例。
此外，尽管本文中所描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但不包括其他实施例中所包括的其他特征，但是如本领域技术人员将理解的那样，不同实施例的特征的组合旨在落在本发明的范围内，并且形成不同实施例。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均能以任何组合来使用。
在本文中所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而，应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其他实例中，公知的方法、结构和技术未被详细示出，以免混淆对本描述的理解。
图1示出了通信链路10，该通信链路10包括发射侧的FFE 11、驱动器12和调制器13，接收侧的光电二极管14和接收器15，以及它们之间的光学链路16。调制器例如可以是Mach-Zehnder调制器(MZM)。本发明实现了纯粹在光学域中对Mach-Zehnder调制器的电光频率响应进行整形(shape)的能力。这允许例如增加所得的Mach-Zehnder调制器的有效电光带宽，或者抵消由光纤的色散引入的信号失真。本发明的技术是完全无源的，即不需要任何附加的电路并且因此没有常规电均衡方法所需的额外功耗。
当聚焦于MZM领域时，在最实用的现有技术中采用以下办法来提高带宽或在调制器频率响应中引入峰化。在大多数材料系统中，MZM相对较长(几毫米到几厘米)，以便在电信号和光学信号之间具有足够大的相互作用。在高速下，与MZM的尺寸相比，电信号的波长变小，并且传输线效应开始变得明显。这些效应可被用于改善带宽或在调制器响应中引入峰化。此类技术包括(但不限于)：
周期性地加载的行波MZM；
以失配阻抗来端接传输线以引入反射；
添加反馈和有源元件以抵消带宽限制。
其他优化集中于移相器本身：
PN移相器中的结工程；
利用更奇异的材料。
虽然这些技术可能会增加带宽(有些甚至相当大地增加)，但创建FIR滤波器的自由度仍然非常有限。此外，所述技术需要在技术层面上进行重大变革(如结工程或使用奇异材料)或面临复杂的实现(如传输线上的有源反馈)。
在第一方面，本发明的实施例涉及一种电光Mach-Zehnder调制器100，更具体地涉及周期性地加载的行波MZM。图10中示出了此类调制器的示意性框图。该调整器包括第一和第二光学波导114a、114b。
此外，Mach-Zehnder调制器包括配置用于将传入光学信号拆分成在第一光学波导114a上的第一光学信号和在第二光学波导114b上的第二光学信号的光学拆分器112，以及配置用于组合来自光学波导114a、114b的光学信号的光学组合器116。
此外，Mach-Zehnder调制器包括多对电光移相器122a、122b。每对包括每一光学波导114a、114b一个移相器122a、122b。各对电光移相器分布在光学波导114a、114b的长度上。每一对形成调制器的一分段118。电光移相器被配置用于对光学信号进行调相。它们是借助于电信号来被控制的。
此外，Mach-Zehnder调制器包括至少一个交叉元件140，该交叉元件140被配置以使光学波导在两个分段118之间交叉。在本发明的实施例中，在交叉中的光学信号之间没有相互作用。Mach-Zehnder调制器可包括一个或多个延迟元件130，其被配置以在两个段118之间延迟光学信号。
在本发明的实施例中，交叉元件和延迟元件两者都可以存在。
在本发明的实施例中，同其间不存在此类延迟元件的两个其他分段之间的延迟相比，延迟元件在两个相邻分段之间提供附加的光学延迟。
在图10中，带有虚线的正方形表示光学波导、或延迟元件130、或交叉元件140或这些元件的组合的直接连接。在本发明的实施例中，Mach-Zehnder调制器包括至少一个交叉元件140。
在本发明的实施例中，可通过仅使用延迟元件130来实现整形。
在本发明的实施例中，可通过在两个分段之间仅提供交叉元件140来实现整形，其中交叉元件的光学延迟不同于零。
当插入延迟元件和交叉元件时，交叉元件的光学延迟可以与延迟元件的光学延迟相同。然而，这并不是严格要求的。
如果在本发明的实施例中插入了多个交叉元件或延迟元件，则这些元件不一定具有相同的延迟。
本发明实施例的优点在于，通过在分段之间添加交叉元件，可以改变EO频率响应以扩展调制器带宽或引发峰化以克服光学链路中的其他带宽限制。此外，可以添加光学延迟元件以改变EO频率响应或扩展调制器带宽或引发峰化以克服光学链路中的其他带宽限制。
本发明的实施例的优点在于，可以获得不需要任何附加功耗就能实现频率响应整形的无源结构。
本发明的实施例的优点在于，不需要用于对频率响应进行整形的附加电路，从而节省了电子器件的芯片面积。
优点是，根据本发明的实施例的MZM 100仍然表现得像普通MZM一样(光学宽带、低啁啾、相同的DC特性、相同的插入损耗，但消光比更低)。
根据本发明的实施例的光子调制器的制造工艺不需要任何改变就能实现MZM结构(假设初始工艺可以制造MZM)。实际上，在本发明的实施例中，仅改变了光学波导的布线，而没有改变移相器或传输线。例如，所述工艺的标准PN结可被用于移相器。
本发明的实施例的优点在于，当使用非归零(NRZ)信令时，电驱动器不应具有线性输出级。
行波Mach-Zehnder调制器(TW-MZM)的框图如图2和图4所示。虽然图2中移相器对的数量是N，但图4示出了移相器数量是10的示例。移相器对的数量可以例如在2到20之间变化，例如在5到15之间。
图2的MZM包括传输线，该传输线周期性地加载有串联的两个电光移相器(形成一个分段)。传输线以阻抗Zterm端接。所有移相器级联连接以形成双臂Mach-Zehnder调制器(MZM)。然而，这并不是严格要求的。此外，单臂(推挽)MZM配置也是可能的。电信号在传输线(图2中的实线)上行进。光学信号在波导(图2中的虚线)中行进。
传输线上的电压在Mach Zehnder的顶臂和底臂之间产生相位差。与90°相移相结合，这产生以下DC传输特性(忽略所有损耗并假设理想的线性移相器)：
其中Pout和Pin是调制器的输出和输入端处的光学功率，PSi.V是归因于所施加电压V的第i分段所引起的相差，且V＝Vin+－Vin-。发明人制作了图2的调制器的等效框图。该等效框图如图3所示。从该图中，给出了施加到传输线的输入端的电压与上臂和下臂之间的相差(在光学域中)之间的关系。后续分段之间的延迟被纳入考虑。在此，假设在整个MZM上相邻分段之间的距离是相同的。在本发明的实施例中，相邻分段之间的电延迟对于不同的相邻分段可以是相同的。两个相邻分段之间的电信号和光学信号的延迟是TE和TO。发明人获得了MZM的两臂之间在时域中的总相移PStot(t)的以下公式：
对于该方程，假设理想传输线和线性移相器。在本发明的实施例中，在传输线上行进的(调制)电信号的速度和光学波导中的(经历调制的)光学信号的速度可以匹配，使得TE＝TO。根据上面所示的相移方程，如果TE＝TO，则不同的相移完美地相加，从而产生最大的调制效率和带宽。
然而，本发明不限于其中光学波导上的光学延迟等于相邻分段之间的电延迟的MZM(如果在分段之间不存在延迟元件或交叉元件)。
图5示出了图4调制器的等效框图。在该示例中，TE＝TO，并且所有分段都是相同的，PS＝PSi。
在本发明的实施例中，通过延迟元件130或交叉140替换连贯分段之间的某些光学连接来实现均衡。这是本发明的关键思想。如果将延迟元件插入两个连贯分段(在这一情形中是分段1和2)之间，则获得图6的结构。该等效框图如图7所示。
在本发明的实施例中，延迟元件可以是配置用于引入延迟的光学构建块。这例如可以是延迟线或环形谐振器。假设光学延迟线(ODL)引入了附加延迟TODL，则可以导出以下响应：
只有在光学延迟线之前的分段中行进的光学信号经历额外延迟。如果TE＝TO，可获得以下方程(另见上述简化)：
将此方程转换到z-域将得到以下方程：
其中：
在z域的方程中，观察到从V到PStot的形式为a.z-1+b的传递函数(a，b>0)，从而表明通过引入延迟，可以将MZM的频率响应整形成低通特性。注意，可以在任意两个分段之间添加延迟，并且可以添加多个延迟以获得更复杂的传递函数。最大滤波器阶数受分段数的限制。
通过引入延迟，z-域传递函数中的所有项都是正的。因此，如果TE＝TO，则引入延迟将降低带宽。通过在两个分段之间引入交叉140，可以生成负系数。对应的结构和框图如图8和图9所示。在本发明的实施例中，交叉140可以引入延迟，该延迟被选择成等于光学延迟元件130的延迟。假设各传输线上的电信号(电压)在上臂和下臂之间引入正相差，则归因于交叉，在MZM的输出处观察到的PS0和PS1引入的相差将是负的。这导致以下响应：
在第一个方程中，观察到从V到PStot的传递函数的形式是-a.z-1+b(其中a、b>0)。获得了具有负抽头的FIR滤波器。使用这种滤波器，可以引入在更高频率处的峰化，从而得到更高的调制器带宽。根据本发明的实施例的MZM 100可包括多个延迟元件(例如，光学延迟线)和交叉元件，以生成更复杂的传递函数，以便优化带宽或生成足够的峰化以减轻其他带宽限制(即，传输线的电极上的损耗)。在本发明的一些实施例中，甚至可以生成通带响应。
根据本发明的实施例的Mach-Zehnder调制器可包括第一和第二传输线124a、124b。第一传输线124a与第一移相器122a的输入端相连接，而第二传输线124b与第二移相器122的输入端相连接，使得可通过在相应传输线上的电信号来完成对光学信号的调相。
也可能存在单臂(推挽)周期性地加载的TW-MZM实现(在PN结与电极的连接中有轻微的重新排列)。在这种情况下，根据本发明的实施例，单个传输线足以制作MZM。移相器对中的两个移相器都连接到该单个传输线，使得光学信号的调相可以通过该单个传输线上的电信号来完成。图11中示意性地绘制了根据本发明的MZM 100的示例性实施例。此外，在该示例性实施方式中，在分段之间插入了光学交叉和延迟线。对应的框图在图12中示出。如果TE＝TO，并且如果所有分段都相同，则可以导出以下响应：
PStot＝-3PS(t-2TODL)+PS(t-TODL)+6PS(t)
在z域中，这变成：
图11的示例性MZM的峰化可被用于补偿由于色散信道引起的带宽恶化。
图13中的曲线图示出了根据本发明的实施例从电输入到经定形MZM的光学输出所传递的功率除以从电输入到标准MZM的光学输出所传递的功率。功率传输被定义为调制器的输出端处的光学功率的摆幅与发送到调制器电输入端的功率之比。对于该示例，交叉和延迟元件的延迟TODL是7ps，从而形成500μm波导。
图14示出了用于硅集成光子学平台的、图11的经整形MZM 100的布局。根据本发明实施例的MZM可以使用不同的硅集成光子学平台来实现。也可以使用其他光子平台，诸如III-V材料。在该原型图上，可以区分光学波导114a、114b，电光移相器122a、122b，第一和第二传输线124a、124b，延迟元件130和交叉元件140。示出了延迟元件130和交叉元件140的插图。这些插图示出了如何在光学波导中实现交叉和延迟。还示出了两个分段118的插图。在该示例中，10个分段各自是175μm长，且节距是250μm。然而，本发明不限于此。
在该示例中，调制器是2.5mm长。在该示例中，以56Gb/s传输为目标，并使用仿真来优化延迟，以在25-30GHz处达到最大峰值。在该示例中，最佳延迟是7ps，从而得到500μm延迟线。
图15示出了用作一对移相器122a、122b的具有邻接的N区的两个PN结的分段截面。该PN结可以具有与标准MZM的PN结相同的尺寸。使用差分GSSG电极配置。或者，可以切换P区和N区，从而产生具有邻接P区的两个PN结。其示例在图16中示出。移相器对的操作保持不变，但应调整B线上的偏置电压
以此处演示的方式连接PN结不是必需的。每一PN结也可以连接在G线和S线之间。耗尽型PN结移相器与信号线(即传输线124a、124b)串联放置并通过感应线来被偏置。端接电阻器位于芯片上，可使用热光加热器来以正交方式偏置MZM。标准MZM使用完全相同的设计，但在所有分段之间具有直接连接。
图17示出了图15和图16中的截面的可能电气示意图(未示出光学波导)。左图示出了图15中的截面的可能的电气示意图。右图示出了图16中的截面的可能的电气示意图。可以施加到引脚的电压也添加到附图中。施加到S引脚的差分电压(＝data(数据))是Vs。
也可以使用不同的方式来端接传输线。MZM的操作不受此影响。其示例在图18中示出。注意，更复杂的端接电路甚至是可能的。
图19和图22示出了具有GSSG结构(双臂)的可能变体。在这些示例中，PN结是分开的。
现在通过在S线和G线之间施加直流电压来偏置PN结。该直流电压应与数据信号一起添加到S引脚，因此应添加偏置T，以避免在同一线路上同时施加交流和直流信号这两者的问题。
在这种情况下，P区和N区可以切换，但应注意它们在其正确的工作区中偏置(两者应具有相同的反向偏置电压)，并且诸移相器引入相反的相移。
当前绘制的示例是P-N/N-P配置，但N-P/P-N配置也是可能的。两者都需要GSSG引脚处的差分电压来工作。
然而，如果选择使用P-N/P-N配置或N-P/N-P配置，则GSSG引脚上的差分信令将导致在两个臂中的相同相移。在这一情形中，应向两个S引脚施加相同的电压。
图20示出了图19所示的具有2个分开的PN结的截面的电气示意图。示出了P-N/N-P变体、N-P/P-N变体、P-N/P-N变体和N-P/N-P变体。注意，对传输线进行端接的不同方式是可能的。
图21示出了具有GSG结构(单臂)的可能变型。数据信号施加到S线，没有数据信号施加到G1和G2。PN结的直流偏置通过在G1-S对和G2-S线对之间施加电压来提供。G1和G2上的直流电压不相等(除非P-N结被偏置在0V)。在这种情况下，P-N区不能像前一情形中那样独立地切换，唯一的可能性是P-N/P-N(见图22，其示出了电气示意图)和N-P/N-P。左侧示意图示出P-N/P-N变体，且右侧示意图示出N-P/N-P变体。同样，在这一情形中，对传输线进行端接的不同方式是可能的。
图23示出了具有GS结构(单臂)的可能变型。信号施加到S引脚，G线和S线之间的直流电压是0V。将直流电压施加到感应B线以偏置P-N结。在这种情况下，P-N区不能独立地切换。如图24所示，唯一的可能性是N-P/P-N(左示意图)和P-N/N-P(右示意图)。同样，在这一情形中，对传输线进行端接的不同方式是可能的。
因此，在本发明的实施例中，配置用于对光学信号进行调相的电光移相器对可以是PN结。它们可以按不同的方式与一条或两条传输线连接。可以使用本领域技术人员已知的电光移相器，并且它们可以根据本领域技术员已知的电连接方案进行电连接。
在不同的变型中，总是有成对的电光移相器，对于每对电光移相器，每一光学波导一个移相器。它们以如下方式连接或驱动：数据信号在MZM的一个臂中引入正相移，并在另一臂中引入负相移。通过这种方式，可以在分段之间插入光学交叉和光学延迟，以获得频率响应整形。
图25中由SH指示的曲线束示出了根据本发明的实施例的对于不同的反向偏置电压(由圆圈指示的0V反向偏置和由三角形指示的2V反向偏置)，从经整形MZM的电输入到光学输出所传递的测得功率。虚线示出了仿真结果。图25中由ST指示的曲线束示出了对于不同的反向偏置电压(由圆圈指示的0V反向偏置和由三角形指示的2V反向偏置)，从标准MZM的电输入到光学输出所传递的测得功率。
图26示出了对于不同电压，从图25的经整形MZM的输入(Ein)到输出(Eout)所传递的功率除以从图25中的标准MZM的输入(Ein)到输出(Eout)所传递的功率。虚线示出了传递函数：
如可看到的，测量结果和理论传递函数彼此接近。
对这些示例的测量表明，在直流条件下，标准和经整形调制器的Vπ(定义为如下电压：其应被施加到调制器的输入端以获得两臂中的移相器的输出之间的180度相移)分别是11.8V和29.6V(PN反向偏置1V)。因此，原因是在该示例中，10个分段中只有4个分段实际对直流相移作出贡献。在这两种设计中，来自PN结的1V反向偏置下的插入损耗非常相似，标准调制器和经整形调制器分别是2.6dB和3.1dB。该小偏差是来自交叉的0.3dB损耗和来自附加波导的2倍0.1dB损耗所引起的。使用向量网络分析仪和70GHz光电二极管来测量传递函数，结果如图25所示。在0和2V下，标准调制器的3dB带宽是21和25.1GHz。对于经整形调制器，对于0V反向偏置，在23.2GHz处有3.2dB的峰化，对于2V的反向偏置，峰化增加到23.8GHz处的4.6dB。结电容的变化改变了传输线特性，从而导致或多或少的峰化。参考振幅被选择在1GHz处。经整形调制器(最高达40GHz是有效的)的仿真示出了与测量的良好相似性。通过将经整形调制器和标准调制器的传递函数相除，可以消除电效应，并可以研究传递函数整形的效果。
图27示出了用于验证根据本发明的实施例的MZM并将其与标准MZM进行比较的测试设置。测试是针对不同的光纤长度进行的。在56Gb/s NRZ信号(由来自长度为215-1位的PRBS序列的数据组成)下进行传输实验，以分析该经整形设计的性能改进。激光在1550nm处产生13dBm。在光通过光纤探头发送到偏振敏感光栅耦合器之前，使用偏振控制器。被测MZM由任意波导发生器(AWG)和2x 24dB放大器驱动，以在MZM的输入端处获得4个Vppdiff。发射到光纤中的发射功率约是1dBm。TX的12dB插入损耗由来自光栅耦合器的2x3 dB、来自移相器的3dB和因为MZM在正交处偏置的3dB组成。为了优化消光比(ER)，PN结反向偏置在0.5V处。经调制光学信号被发送通过0、2或3km SSMF。放置可变光学衰减器(VOA)以控制进入掺铒光纤放大器(EDFA)的光。EDFA、后续滤光器、VOA和70GHz光电二极管构成参考接收器。由于不使用TIA，EDFA有助于提高RX灵敏度。该滤光器宽1.2nm，并被用于抑制来自EDFA的ASE-ASE拍频(beating)噪声。PD(光电检测器)的输出端连接到采样示波器以观察眼图，或连接到11dB放大器和DEMUX(解复用器)以创建两个28Gb/s的流，其中一个流由BER测试仪分析。
图28示出了对于经整形MZM(EQ)和标准MZM以及对于不同光纤长度(0、2和3km)的、因变于入射在EDFA上的功率而获得的log10(BER)。经整形MZM是根据本发明的实施例来整形的。在0km处，标准和经整形MZM之间的调制效率惩罚是清晰可见的，在7％OH HD-FEC(FEC前BER：3.8e-3)下是4dB的功率惩罚，而在KP4-FEC(FEC前BER：4.2e-4)下是3.5dB。在2km处，经整形MZM在HD-FEC和KP4-FEC下比标准设计差2.5dB和1.5dB。然而，在更高功率下，经整形调制器可以达到BER<1e-12，这在标准MZM中是不可能的。在3km处，经整形调制器在HD-FEC下差1.5dB，但在KP4-FEC下好5dB。在受光纤插入损耗和VOA限制的EDFA中的最大功率为-3dBm时，经整形调制器的BER比标准设计好3个十倍频程。用于经整形频率响应的传递函数的进一步调谐可以改善ER，同时保持足够的峰化以抵消色散链路。在图29中，示出了PD输出处的各个眼图。根据本发明的实施例，使用示例性标准MZM来获得眼图A(0km，ER＝1.96dB)、B(2km，ER＝1.75dB)和C(3km，ER＝2.41dB)，并且使用示例性经整形MZM来获得眼图D(0km、1.5dB)、E(2km、ER＝1.28dB)和F(3km、ER＝3.09dB)。
在本发明的实施例中，可以存在一个或多个偏置电路126来用于分开地偏置移相器对的移相器122a、122b中的至少一者。图15中示出了此类移相器对的示例。它示出了具有邻接N区的两个PN结。偏置可以在偏置节点B处进行。分段的偏置电压影响调制效率。例如，在-1和-3V之间改变偏置电压可能会导致经整形调制器的Vpi在29.6V和37.4V之间。经整形调制器的长度可例如是4*175μm。图30示出了根据本发明的实施例的MZM的示例，其包括用于分开地偏置移相器对的3个不同偏置电路B1、B2、B3。通过这样做，可以获得更灵活的响应。
在本发明的实施例中，移相器122a、122b(沿波导的长度方向)的长度可以在不同的移相器对之间变化。图31中示意性地解说了其示例。在该实施例中，诸移相器具有不同的长度。通过这样做，可以提高抽头分辨率。图31的示例可被视为连续MZM设计，其中该对移相器因延迟和交叉而中断。这种设计允许在相同的总调制器长度下获得更多的相移，因为可以减少中断的数目。
在本发明的实施例中，该结构可以在布局中完全限定。因此，一旦制造出这些声波，响应就固定了。
或者，在本发明的实施例中，可以插入光学网络，该光学网络允许在相邻分段之间的光学波导的直接连接和/或相邻分段之间的交叉元件140和/或相邻分段之间的延迟元件130之间切换。可以在直接连接、光学延迟线或光学延迟线及交叉之间进行切换，以在制造之后对响应进行调谐。可以使用光学开关元件来实现切换。
在本发明的实施例中，光学延迟线可后随有交叉，反之亦然。两分段之间可能存在不同的配置。交叉可以例如插入在2条光学延迟线之间。
在本发明的实施例中，延迟线的光学延迟可被选择成相等。在其他实施例中，为了优化性能，情况可能并非如此。
在本发明的实施例中，分段可被选择成相等。在其他实施例中，分段可以不同以优化性能。
在本发明的实施例中，移相器可以包括不同的电极结构。电极结构例如可以是具有单个传输线的电极结构。电极结构不一定需要附加的偏置线。唯一的要求是移相器应存在于MZM结构100的两个臂(两个光学波导114a、114b)中。移相器通常可以使用PN结实现，该PN结充当加载传输线的电容器。典型地，移相器对是具有邻接的N-区或P-区的PN结。然而，本发明不限于此。可以使用本领域技术人员已知的任何其他移相器(例如横向PN、n-i-p-n)。同样，诸如III-V化合物之类的其他材料或诸如聚合物或薄膜之类的更奇异的材料可被用于移相器。
在本发明的实施例中，可以在光学延迟线中添加附加元件以调谐延迟(并因此优化传递函数)。
在本发明的实施例中，电波和光波可以在同一方向上传播。然而，本发明不限于此。当两者相向传播时，均衡也是可能的。
根据本发明的实施例的MZM 100可以用作强度调制器。在这样的实施例中，在两个臂(第一光学波导114a和第二光学波导114b)之间可以存在90°的固定DC相差。然而，这不是严格要求的。其他操作模式也是可能的。
在本发明的一些实施例中，可以通过不由差分信号驱动的MZM来获得均衡。
图32示出了根据本发明的实施例的标准MZM(ST)和经整形MZM(SH)的因变于半波电压Vπ的仿真3dB EO带宽。ST曲线示出了具有4、6、8和10分段的标准周期性地加载的MZM的、因变于Vπ的EO带宽。SH曲线示出了具有10分段的经整形MZM的因变于Vπ的EO带宽，其中光学延迟线和交叉的各种配置被用于提升带宽。显然，对于相同的Vπ，使用根据本发明的实施例的MZM可以获得更大的带宽。
可以看到，可以用调制效率来换取带宽。减小调制器长度的效果完全相同。可以看到，对于经整形MZM，对于相同的Vπ，更高的带宽是可能的。然而，整形并不限于此，正如前面所讨论的，它可以做的远不止带宽增强。
在本发明的实施例中，调制器的端接阻抗可被调谐来以峰化换取调制效率。
在本发明的实施例中，电光移相器122a、122b中的至少一些被配置以作为行波分段来操作。由于减少了中间中断的数量，因此获得了每单位长度更多的相移。本发明的各实施例的优点在于可以获得高抽头精度。当至少一些电光移相器被配置以作为行波分段来操作时，抽头精度由行波分段的长度而不是分段的数量来确定。
在本发明的实施例中，多个电光移相器可以连接到传输线。在这种情况下，实现FIR滤波器抽头的分辨率由1/N确定，N是分段的数目。然而，如图31所示并在说明书中解释的，移相器的长度可以改变以提高抽头分辨率。假设长度为L1和L2的两个元件，则FIR滤波器抽头系数是L1/(L1+L2)和L2/(L1+L2)。这允许连续缩放FIR滤波器系数。作为附加优点，由于不再存在中间中断，每单位长度的调制效率更高。在后一情形中，需要将分段建模成传输线，而不是集总元件。此外，信号在其上从一个分段行进到另一分段的电极可被视为该分段的一部分，并被如此建模。
在第二方面，本发明的实施例涉及一种通信链路200，该通信链路200包括发射器210、接收器220以及发射器210和接收器220之间的光学链路230。图33中示意性地绘制了这种通信链路的示例。这种通信链路的发射器210包括根据本发明的实施例的调制器100。这种通信链路可以例如通过用根据本发明的实施例的调制器替换图1的调制器来获得。
本发明的实施例的优点是，根据本发明的实施例的调制器可以被设计成具有特定的传递函数，并且因此补偿光学链路中的带宽恶化。
在第三方面，本发明的实施例涉及一种用于设计根据本发明的实施例的Mach-Zehnder调制器100的方法。该方法包括在两个分段118之间引入至少一个交叉元件140，以获得预定义的传递函数。另外，可以引入一个或多个延迟元件130。所需传递函数可以例如在z-域中定义，并且可以从中获得至少一个延迟元件和/或至少一个交叉元件的位置，如以上描述中所解说的。根据本发明的实施例，通过在分段之间引入至少一个交叉元件和/或至少一个延迟元件，经整形MZM可以用作FIR滤波器。
Claims (14)
1.一种电光Mach-Zehnder调制器(100)，包括：
第一和第二光学波导(114a，114b)，
光学拆分器(112)以及光学组合器(116)，所述光学拆分器(112)被配置用于将传入光学信号拆分成在所述第一光学波导(114a)上的第一光学信号和在所述第二光学波导(114b)上的第二光学信号，所述光学组合器(116)被配置用于组合来自光学波导(114a，114b)的光学信号，
分布在光学波导(114a，114b)的长度上的多对电光移相器(122a，122b)，对于每一对，每一光学波导(114a，114b)一个移相器(122a，122b)，每一对形成所述调制器的一个分段(118)，其中所述电光移相器被配置以通过电信号对所述光学信号进行调相，
至少一个交叉元件(140)，被配置以使所述光学波导在两个分段(118)之间交叉。
2.根据权利要求1所述的电光Mach-Zehnder调制器(100)，其特征在于，所述电光Mach-Zehnder调制器包括至少一个延迟元件(130)，所述延迟元件被配置以在两个分段(118)之间延迟所述光学信号。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的电光Mach-Zehnder调制器(100)，其特征在于，所述组合器(116)或拆分器(112)包括用于所述光学波导(114a，114b)之一的90°移相器。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的电光Mach-Zehnder调制器(100)，其特征在于，相邻分段(118)之间的距离对于不同的相邻分段而言是相同的。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的电光Mach-Zehnder调制器(100)，其特征在于，所述调制器(100)包括光学网络，所述光学网络被配置以在相邻分段之间的光学波导的直接连接和/或相邻分段之间的交叉元件(140)和/或所述相邻分段之间的延迟元件(130)之间切换。
6.根据权利要求2至5中的从属于权利要求2的任一项所述的电光Mach-Zehnder调制器(100)，其特征在于，所述至少一个延迟元件(130)包括配置用于引入光学延迟的光学构建块。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的电光Mach-Zehnder调制器(100)，其特征在于，诸分段(118)是相等的。
8.根据权利要求1至6中的任一项所述的电光Mach-Zehnder调制器(100)，其特征在于，所述移相器(122a，122b)的长度在所述不同的移相器对之间变化。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的电光Mach-Zehnder调制器(100)，其特征在于，所述电光Mach-Zehnder调制器(100)被配置以使得，在操作中，电信号和光学信号在同一方向上传播。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的电光Mach-Zehnder调制器(100)，其特征在于，所述电光Mach-Zehnder调制器(100)被配置以使得，在操作中，电信号和光学信号相向地传播。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的电光Mach-Zehnder调制器(100)，其特征在于，所述调制器包括一个或多个偏置电路(126)，所述一个或多个偏置电路被配置以分开地偏置所述移相器对中的至少一个移相器(122a、122b)。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的电光Mach-Zehnder调制器(100)，其特征在于，在每个相邻分段(118)之间存在交叉元件(140)或延迟元件(130)。
13.一种通信链路(200)，包括发射器(210)、接收器(220)，以及所述发射器(210)和所述接收器(220)之间的光学链路(230)，其中所述发射器(210)包括根据前述权利要求中的任一项所述的电光Mach-Zehnder调制器(100)。
14.一种用于设计根据权利要求1至12中的任一项所述的Mach-Zehnder调制器(100)的方法，所述方法包括在调制器(100)的分段(118)之间引入至少一个交叉元件(140)，以获得预定义的传递函数。
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