CN115173954A - 一种差分平行微环调制系统及其调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种差分平行微环调制方法及系统，包括：将光信号分成第一光路和第二光路的第一分束器；与所述第一光路连接的I路差分微环单元；与所述第二光路连接的Q路差分微环单元；与所述第一差分微环单元和第二差分微环单元连接的第一合束器。本发明采用差分驱动的方式，在调制信号状态切换的过程中，尽管合成信号的幅度发生改变，但相位始终保持不变，因此可以避免啁啾。本发明可以任意控制调制信号的振幅大小，一方面仅用四个微环调制器便可以实现任意阶数的QAM调制而不需要任何功率衰减器来控制信号振幅，另一方面也可以将工作点选在传输损耗较低的点，以此来减小系统整体的插入损耗。

Description

一种差分平行微环调制系统及其调制方法
技术领域
本发明涉及差分平行微环调制领域，具体涉及一种差分平行微环调制系统及其调制方法。
背景技术
得益于极低的传输损耗和超高的传输容量，光纤通信已经成为了长距离通信的主要方式。由于长距离通信设备安装和维护的困难，人们希望在已安装的光纤通信链路上尽可能地传输更多信息。同时，由于长距离光纤通信引入的啁啾和色散，给接收信号的检测和接收带来了更大的困难。在发射端，基本的二进制开关调制(OOK)已经无法满足要求，可以在有限带宽下传输更多信号的高级调制格式，例如正交相移键控(QPSK)、正交幅度调制(QAM)成为了长距离光纤通信的首选。这些高级调制格式既可以减小色散对信号长距离传输的影响，也能结合波分复用或偏振复用技术，进一步提高单根光纤所能传输的数据量。
在现有技术当中，马赫曾德尔调制器(MZM)最常用来产生高级调制信号，根据MZM的传输特性，只要使其工作在特定的工作点和电压摆幅下，便可以实现幅度不改变，相位改变180°的相位调制。将多个MZM并联，并控制每一路的相位和功率，可以实现更高阶的QPSK和QAM等高级调制格式。但是MZM本身较大的尺寸以及较高的功耗限制了其在对功耗和集成度要求更高的场景中的应用。
为了以更低的功耗和更小的尺寸实现高级调制格式，研究人员提出了使用微环调制器实现高级调制格式的方案。使用单个微环调制器便可以实现最基本的二进制相移键控(BPSK)调制。当微环处于过耦合状态时，其相位响应在谐振点前后会产生完整的2π相位变化，因此可以根据微环的传输曲线，找到合适的工作点，使微环在高电平和低电平两个调制信号下的幅度响应相同，而相位响应相差180°，由此产生BPSK调制信号，这一原理与MZM类似。但是，在调制信号切换的过程中，微环调制器的幅度响应和相位响应都发生了变化，这就导致输入载波信号同时经历了幅度调制和相位调制，从星座图上看，两个调制信号间的切换是一个非线性的过程，由此产生啁啾。同时由于这一工作方式对静态工作点和动态电压摆幅有严格的要求，极大降低调制器的灵活度和适用范围。为了实现更高阶数的调制方案，如QAM，现有方案中简单采用增加调制器数量的方式，并使用光功率衰减器等来控制通过调制器的光强，所需要的微环调制器数量和光功率衰减器数量与QAM的阶数成正比，在高阶调制格式下，系统的复杂度高，功耗也随之增大。
发明内容
为解决现有技术种存在的上述问题：本发明提供了一种差分平行微环调制系统及其调制方法，其包括：微环调制器、分束器、合束器、移相器。采用MZI架构，将两个微环调制器进行连接，输入信号首先通过分束器进入两个微环调制器中，随后再通过合束器对调制后的信号进行合成输出，由此构成一个双平行微环单元。由于采用I路差分微环单元和Q路差分微环单元差分驱动的方式，在调制信号状态切换的过程中，尽管合成信号的幅度发生改变，但相位始终保持不变，因此可以避免啁啾。
一种差分平行微环调制系统，包括：
将光信号分成第一光路和第二光路的第一分束器；
与所述第一光路连接的I路差分微环单元；
与所述第二光路连接的Q路差分微环单元；
与所述第一差分微环单元和第二差分微环单元连接的第一合束器。
所述的I路差分微环单元包括：
将第一光路分成两路的I路分束器；
与所述I路分束器的一路连接的第一微环调制器；
与所述I路分束器的另一路连接的第二微环调制器和第一移相器；
与所述第一微环调制器和第一移相器连接的I路合束器；
所述的Q路差分微环单元包括：
将第二光路分成两路的Q路分束器；
与所述Q路分束器的一路连接的第三微环调制器；
与所述Q路分束器的另一路连接的第四微环调制器和第二移相器；
与所述第三微环调制器和第二移相器连接的Q路合束器；
与所述Q路合束器连接的Q路移相器；
一种差分平行微环调制系统的调制方法，包括以下步骤：
1)在I路差分微环单元的两个微环调制器和Q路差分微环单元的两个微环调制器施加差分的电信号进行调制；
2)选取施加调制信号后I路差分微环单元的两个微环调制器的传输曲线的交点作为工作点，调制信号电平切换时，I路差分微环单元的两路微环的传输曲线交换位置，两路微环产生两个幅度相同相位相反的调制后信号，其中，将一个信号移相180°后与另一个信号最后合成I路的调制后信号；
选取施加调制信号后Q路差分微环单元的两个微环调制器的传输曲线的交点作为工作点，调制信号电平切换时，Q路差分微环单元的两路微环的传输曲线交换位置，产生幅度相同相位相反的调制后信号，两路微环产生两个幅度相同相位相反的调制后信号，其中，将一个信号移相180°后与另一个信号最后合成Q路的调制后信号；
3)Q路的调制后信号经过移相器产生90°的恒定相移，再与I路的调制后信号合成，形成系统最终的调制后的信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.由于采用差分驱动的方式，在调制信号状态切换的过程中，尽管合成信号的幅度发生改变，但相位始终保持不变，因此可以避免啁啾。
2.不需要严格限制微环的工作点，可以使用任意的电压摆幅，极大地减小了系统整体的灵活度。
3.通过改变电压摆幅和工作点，本发明可以任意控制调制信号的振幅大小，一方面仅用四个微环调制器便可以实现任意阶数的QAM调制而不需要任何功率衰减器来控制信号振幅，另一方面也可以将工作点选在传输损耗较低的点，以此来减小系统整体的插入损耗。
附图说明
图1为本发明提供的差分微环调制系统结构示意图；
图2为本发明中差分微环单元的传输曲线示意图；
图3为本发明中差分微环单元的星座图；
图中，1为分束器，2为微环谐振腔，3为移相器，4为合束器，5为差分微环单元，6为差分微环单元中一个微环的传输曲线，7为差分微环单元中另一微环的传输曲线，8为静态工作点，9为差分微环单元中一个微环调制后的信号，10为差分微环单元中另一微环调制后的信号，11，12为下路微环移相180°后的信号，13，14为差分微环单元最终合成的调制后的信号。
具体实施方式
如图1所示，一种差分平行微环调制系统，将光信号分成第一光路和第二光路的第一分束器；与第一光路连接的I路差分微环单元；与第二光路连接的Q路差分微环单元；与第一差分微环单元和第二差分微环单元连接的第一合束器。如图1所示，I路差分微环单元5包括：将第一光路分成两路的I路分束器1；与I路分束器1的一路连接的第一微环调制器；与I路分束器的另一路连接的第二微环调制器和第一移相器3；与第一微环调制器和第一移相器3连接的I路合束器4。第一微环调制器和第二微环调制器均为微环调制器，标号为2。采用MZI架构，将两个微环调制器进行连接，输入信号首先通过分束器进入两个微环调制器中，随后再通过合束器对调制后的信号进行合成输出，由此构成一个双平行微环单元，如图1中的5所示。双平行微环单元采用差分驱动的方式，即施加在平行的两个微环调制器上的调制信号的电平相反。在MZI结构的一臂上连接一个移相器，移相器对该路调制后的信号附加一个180°的恒定相移。上述结构构成一个差分平行微环调制单元。这样一个单元可以实现基础的BPSK调制,工作原理如下：
由于两个微环调制器具有相同的结构参数，在不外加调制信号的情况下，两个微环的传输曲线重合。此时，将差分信号加载在两个微环调制器上进行调制。
假设上路微环加载的调制信号为低电平，由于差分驱动，下路微环加载的调制信号则为高电平，两个微环的传输曲线将向相反的方向移动，并相交于一点，将该点对应的波长作为光源输出的光载波波长。如图2所示，此时上路微环的传输曲线为6，下路微环的传输曲线为7。由于载波频率位于交点处，此时经两路微环调制后的信号具有相同的振幅，而相位相反。假设经上路微环调制后的信号相位为α，对应星座图中的9，则经下路微环调制后的信号相位为-α，对应星座图中的10。由于下路微环调制后的信号经相移器后会产生固定的180°相移，因此下路最终输出调制后的信号将对应星座图中的11。合束器将两路调制后的信号进行矢量相加，即将星座图中的9和11进行矢量叠加，最终得到调制后的信号13。
当输入差分信号状态反转后，上路微环加载的调制信号为高电平，下路微环加载的调制信号则为低电平，两个微环的传输曲线将向相反的方向移动，并且移动方向与上一状态相反。此时，上路微环的传输曲线为7，对应星座图中的10；下路微环的传输曲线为6，对应星座图中的10。下路微环调制后的信号经相移器进行180°的相移后，最终输出调制后的信号将对应星座图中的12。合束器将两路调制后的信号进行矢量相加，即将星座图中的10和12进行矢量叠加，最终得到调制后的信号14。从图3的星座图中可以明显看出，调制后的信号13和14具有相同的幅度和180°的相位差，随着调制信号不断变化，输出的经调制后的信号保持幅度不变，相位则随之在90°和-90°之间改变，由此该差分平行微环单元实现了BPSK调制。
在一个差分微环单元实现BPSK调制的基础上，使用两个差分微环单元，并为其中一个差分微环单元的输出信号添加一个90°的恒定相移，经合束器合成后，便可以得到QPSK调制信号，每个差分微环单元的工作原理与BPSK调制一致，这里不在赘述。通过改变电调制信号的大小，同时还能够控制两微环传输曲线的交点，即调制后信号的振幅，因此采用两个差分微环单元就能够实现任意的2m-QAM调制。
实施例1：本实施例提供一种差分微环调制器，以及使用所述调制器产生BPSK调制的方案。所述差分微环调制器包括：分束器、微环、合束器、移相器。其中微环与分束器和合束器构成MZI级联结构，两个微环由差分信号驱动，移相器产生恒定的180°相移。使用所述调制器产生BPSK调制的方案为：选取施加调制信号后上路微环和下路微环传输曲线的交点作为工作点，调制信号电平切换时，两路微环的传输曲线交换位置。初始时两微环传输曲线一致，施加调制信号后，传输曲线将向相反的方向移动，选择两个曲线的交点作为工作点。假设在第一种状态下，上路微环的传输曲线为6，下路微环的传输曲线为7.由于载波频率位于交点处，此时经两路微环调制后的信号具有相同的振幅，而相位相反。假设经上路微环调制后的信号相位为α，对应星座图中的9，则经下路微环调制后的信号相位为-α，对应星座图中的10。由于下路微环调制后的信号经相移器后会产生固定的180°相移，因此下路最终输出调制后的信号将对应星座图中的11。合束器将两路调制后的信号进行矢量相加，即将星座图中的9和11进行矢量叠加，最终得到13。
当状态反转后，两微环的传输曲线较之前状态发生互换。此时，上路微环的传输曲线为7，对应星座图中的10；下路微环的传输曲线为6，对应星座图中的10。下路微环调制后的信号经相移器进行180°的相移后，最终输出调制后的信号将对应星座图中的12。合束器将两路调制后的信号进行矢量相加，即将星座图中的10和12进行矢量叠加，最终得到14。从图3的星座图中可以明显看出，调制后的信号13和14具有相同的幅度和180°的相位差，随着调制信号不断变化，输出的经调制后的信号保持幅度不变，相位则随之在90°和-90°之间改变，由此实现BPSK调制。
实施例2：在实施例1的基础上，本实施例提供一种四微环差分调制器，和使用所述调制器实现QPSK调制的方案。四微环差分调制器由两个双微环差分调制单元采用MZI级联的方式构成，在MZI结构的一臂上设有一个移相器，移相器产生恒定的90°相移。其实现QPSK调制的方案为：使用一个双微环差分单元产生BPSK调制信号，具体方案与实施例1一致。该路产生的BPSK信号与另一路产生的BPSK信号具有90°的相位差，使用合束器合成后，可以产生四种幅度一致，相位相差90°的信号，由此完成QPSK调制。
实施例3：在实施例2的基础上，本实施例提供一种四微环差分调制器，和使用所述调制器实现16QAM调制的方案。在实施例1和实施例2的基础上，通过预先的信号处理，产生两组四电平的差分电调制信号。通过合理设置信号电平值，两组差分微环可以产生两路正交的4ASK调制信号。合成两路4ASK信号即可实现16QAM调制。在本实施例的基础上，可以继续扩展电调制信号的电平数，从而实现任意阶数的QAM调制。

Claims (4)

1.一种差分平行微环调制系统，其特征在于，包括：
将光信号分成第一光路和第二光路的第一分束器；
与所述第一光路连接的I路差分微环单元；
与所述第二光路连接的Q路差分微环单元；
与所述第一差分微环单元和第二差分微环单元连接的第一合束器。
2.如权利要求1所述的差分平行微环调制系统，其特征在于，所述的I路差分微环单元包括：
将第一光路分成两路的I路分束器；
与所述I路分束器的一路连接的第一微环调制器；
与所述I路分束器的另一路连接的第二微环调制器和第一移相器；
与所述第一微环调制器和第一移相器连接的I路合束器。
3.如权利要求1所述的差分平行微环调制系统，其特征在于，所述的Q路差分微环单元包括：
将第二光路分成两路的Q路分束器；
与所述Q路分束器的一路连接的第三微环调制器；
与所述Q路分束器的另一路连接的第四微环调制器和第二移相器；
与所述第三微环调制器和第二移相器连接的Q路合束器；
与所述Q路合束器连接的Q路移相器。
4.一种如权利要求1～3任一项所述的差分平行微环调制系统的调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在I路差分微环单元的两个微环调制器和Q路差分微环单元的两个微环调制器施加差分的电信号进行调制；
2)选取施加调制信号后I路差分微环单元的两个微环调制器的传输曲线的交点作为工作点，调制信号电平切换时，I路差分微环单元的两路微环的传输曲线交换位置，两路微环产生两个幅度相同相位相反的调制后信号，其中，将一个信号移相180°后与另一个信号最后合成I路的调制后信号；
选取施加调制信号后Q路差分微环单元的两个微环调制器的传输曲线的交点作为工作点，调制信号电平切换时，Q路差分微环单元的两路微环的传输曲线交换位置，产生幅度相同相位相反的调制后信号，两路微环产生两个幅度相同相位相反的调制后信号，其中，将一个信号移相180°后与另一个信号最后合成Q路的调制后信号；
3)Q路的调制后信号经过移相器产生90°的恒定相移，再与I路的调制后信号合成，形成系统最终的调制后的信号。
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