CN116699880A - 电光调制器 - Google Patents

Abstract

提供一种电光调制器，包括：第一分光元件，包括用于输入工作信号的第一输入口、用于输出主路信号的第一输出口和用于输出第一监控信号的第二输出口；第二分光元件，具有一进二出结构且其输入口与第一输出口连接；两个波导臂，其一端对应连接第二分光元件的两个输出口；偏压调制模块，用于基于偏压信号向两个波导臂施加偏置电压；射频调制模块，用于基于射频信号向两个波导臂施加射频电压；第三分光元件，具有二进三出结构且其两个输入口对应连接两个波导臂的另一端；以及，第四分光元件，具有一进二出结构且其输入口连接第三分光元件的第一个输出口，第四分光元件包括用于输出光功率最大值的第三输出口和用于输出第二监控信号的第四输出口。

Description

电光调制器

技术领域

本公开涉及光通信技术领域，特别是涉及一种电光调制器。

背景技术

近年来，随着物联网、无人驾驶、远程医疗、远程教育等新兴网络应用业务的飞速发展，对于高速大容量通信技术提出了更高的要求。光通信因其带宽大、可靠性高、成本低、抗干扰能力强等特点，在高速、大容量通信方向取得了飞速的发展。如何将高速电信号加载到光载波上是一项核心研究内容。

电光调制器是基于电光材料(Electro-optic materials)的电光效应制成的一种调制器。电光效应是指，当对例如铌酸锂晶体、砷化稼晶体或钽酸锂晶体等电光材料施加电压时，电光材料的折射率会发生变化，进而引起通过该电光材料的光波的特性发生变化。利用电光效应，可以实现对光信号相位、幅度、强度以及偏振状态等参数的调制。

随着人们对于高速、大容量通信技术的需求日益迫切，对于电光调制器的工作性能提出了更高的要求。

发明内容

本公开实施例提供了一种电光调制器，以提高电光调制器输出的工作信号的准确性。

本公开实施例提供的电光调制器，包括：第一分光元件，包括用于输入工作信号的第一输入口、用于输出主路信号的第一输出口和用于输出第一监控信号的第二输出口；第二分光元件，具有一进二出结构且其输入口与第一输出口连接；两个波导臂，其一端对应连接第二分光元件的两个输出口；偏压调制模块，用于基于偏压信号向两个波导臂施加偏置电压；射频调制模块，用于基于射频信号向两个波导臂施加射频电压；第三分光元件，具有二进三出结构且其两个输入口对应连接两个波导臂的另一端；以及，第四分光元件，具有一进二出结构且其输入口连接第三分光元件的第一个输出口，第四分光元件包括用于输出光功率最大值的第三输出口和用于输出第二监控信号的第四输出口。

在一些实施例中，电光调制器在工作状态，第一输入口输入的光功率为P1，第一输出口输出的光功率P2＝P1*(100-A)％，第二输出口输出的光功率P3＝P1*A％，其中，A％小于50％。

在一些实施例中，电光调制器还包括：第五分光元件，具有一进二出结构且其输入口连接第三分光元件的第二个输出口，包括用于输出第三监控信号的第五输出口和用于输出第四监控信号的第六输出口。

在一些实施例中，A％为固定值，或者，A％基于第三监控信号和第四监控信号的功率比值确定。

在一些实施例中，电光调制器还包括：第六分光元件，具有一进二出结构且其输入口连接第三分光元件的第三个输出口，包括用于输出第五监控信号的第七输出口和用于输出第六监控信号的第八输出口。

在一些实施例中，电光调制器还包括：反馈模块，用于基于第一监控信号、第二监控信号、第三监控信号、第四监控信号、第五监控信号和第六监控信号中的至少一个，调整向偏压调制模块输出的偏压信号。

在一些实施例中，第一分光元件还包括用于输入检测信号的第二输入口。

在一些实施例中，电光调制器在检测状态，第二输入口输入的光功率为P0、第一输出口输出的光功率P4＝P0*A％，第二输出口输出的光功率P5＝P0*(100-A)％，第三输出口输出的光功率最大值为P6，第四输出口输出的光功率最大值P7＝P6*A％，电光调制器的传输损耗C＝P6/P4。

在一些实施例中，第一分光元件的第一输入口和第二输入口具有互换对称性，第一输出口和第二输出口具有互换对称性；和/或，第四分光元件的第三输出口和第四输出口具有互换对称性；和/或，第五分光元件的第五输出口和第六输出口具有互换对称性；和/或，第六分光元件的第七输出口和第八输出口具有互换对称性。

在一些实施例中，第三分光元件的第一个输出口用于输出相位相差2NΠ的两个分支光信号的相干加强信号的光功率最大值，其中，N为0或自然数；第三分光元件的第二个输出口和第三个输出口用于对应输出相位相差(2N+1)Π的两个分支光信号的相干加强信号的光功率最大值的设定分配比例，其中，设定分配比例大于0且小于1。

根据本公开的一个或多个实施例，可以实现对电光调制器的输入工作信号和工作状态的有效监控，基于这些监控信息去调整向偏压调制模块输出的偏压信号，可以对两个波导臂的固有差异导致的相位偏差进行补偿，从而可以提高电光调制器在工作状态所输出工作信号的准确性。

根据在下文中所描述的实施例，本公开的这些和其它方面将是清楚明白的，并且将参考在下文中所描述的实施例而被阐明。

附图说明

在下面结合附图对于示例性实施例的描述中，本公开的更多细节、特征和优点被公开，在附图中：

图1是传统型电光调制器的简化结构俯视图；

图2是本公开一些实施例的电光调制器的简化结构示意图；

图3是本公开一些实施例的第三分光元件的第一个输出口和第二个输出口所输出的光功率与到达第三分光元件的两个分支光信号的相位差的对应关系曲线图；以及

图4是本公开另一些实施例的电光调制器的简化结构示意图。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

马赫曾德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator)是电光调制器的一种，其是将输入光信号等分成两个分支光信号，使之分别进入两个波导臂，这两个波导臂采用电光材料，其折射率随外加调制电压的变化而变化。波导臂的折射率变化会引起分支光信号的相位变化，因此，两个分支光信号汇合后输出的是一个强度随调制电压变化的干涉信号。简而言之，马赫曾德尔调制器通过控制施加在两个波导臂上的调制电压，可以实现不同边带的调制。马赫曾德尔调制器作为将电信号转换成光信号的器件，是光互连、光计算、光通信系统中常见的核心器件之一。

如图1所示，为一种传统型马赫曾德尔调制器的结构示意图。在理想状态下，马赫曾德尔调制器001的两个波导臂02绝对相同。马赫曾德尔调制器001不工作时，两个波导臂02均不发生电光效应，输入光经过分光元件01后被等分为两个分支光信号，两个分支光信号在各自经过一个波导臂02后相位仍然相同，因此，会从合光元件05输出两个分支光信号的相干加强信号。马赫曾德尔调制器001工作时，调制电极04(例如包括信号电极040、第一地电极041和第二地电极042)对两个波导臂02施加调制电压，两个分支光信号在各自经过一个波导臂02后相位可以相差Π的奇数倍或偶数倍，当相位相差Π的偶数倍时，合光元件05输出两个分支光信号的相干加强信号，当相位相差Π的奇数倍时，合光元件05输出两个分支光信号的相干抵消信号。

然而，在实际中，由于材料和电荷累计等原因，两个波导臂02无法做到绝对相同，马赫曾德尔调制器001不工作时，两个分支光信号在各自经过一个波导臂02后便已经出现一定的相位偏差，该相位偏差不可避免，为固有相位差，并且可能随着时间和环境条件的变化而变化，其存在会影响到马赫曾德尔调制器001工作时输出信号的准确性，甚至导致马赫曾德尔调制器001不能正常输出。

因此，需要通过偏压调制模块对两个波导臂进行偏压调制，来补偿上述由于两个波导臂固有差异导致的相位偏差，以此来提高电光调制器输出的工作信号的准确性，进而改善电光调制器的工作性能。

本公开实施例提供了一种电光调制器，以提高电光调制器输出的工作信号的准确性。

如图2所示，本公开一些实施例提供的电光调制器100，包括第一分光元件10、第二分光元件20、两个波导臂70、偏压调制模块80、射频调制模块90、第三分光元件30和第四分光元件40。

第一分光元件10包括用于输入工作信号的第一输入口101、用于输出主路信号的第一输出口103和用于输出第一监控信号的第二输出口104。第二分光元件20具有一进二出结构且其输入口与第一输出口103连接，用于将输入其的光信号等分为两个分支光信号。两个波导臂70对应提供两个分支光信号的传输路径，其一端对应连接第二分光元件20的两个输出口。第三分光元件30具有二进三出结构，其两个输入口对应连接两个波导臂70的另一端，用于对应接收经两个波导臂70传输的分支光信号。第四分光元件40具有一进二出结构且其输入口连接第三分光元件30的第一个输出口301，第四分光元件40包括用于输出光功率最大值的第三输出口401和用于输出第二监控信号的第四输出口402。

射频调制模块90用于基于射频信号向两个波导臂70施加射频电压，以对其中传输的两个分支光信号进行射频调制，使两个分支光信号产生相位差。偏压调制模块80用于基于偏压信号向两个波导臂70施加偏置电压，以对其中传输的两个分支光信号进行偏压调制。

在本公开中，各分光元件均指光功率分配元件，例如为具备光功率分配功能的多模干涉元件。设计人员可以根据设计的光功率分配比例来进行分光元件的实际结构设计。电光调制器100在工作状态，第一输入口101输入的光功率为P1，第一输出口103输出的光功率P2＝P1*(100-A)％，第二输出口104输出的光功率P3＝P1*A％。

在本公开实施例中，基于第一分光元件10的第二输出口104输出的第一监控信号，可以监测出第一输入口101输入的工作信号是否正常，比如工作信号耦合进入电光调制器100的功率是否能达到目标功率。基于第四分光元件40的第四输出口402输出的第二监控信号，以及第三分光元件30的第二个输出口302或第三个输出口303输出的信号，可以监测出电光调制器100的工作状态是否正常，比如两个分支光信号是否达到目标相位差。

参考图3所示，图3为第三分光元件30的第一个输出口301和第二个输出口302(也可以是第三个输出口303)所输出的光功率与两个分支光信号的相位差的对应关系曲线图。

当第四输出口402输出的第二监控信号(为第一个输出口301所输出光功率的设定比例)与第三分光元件30的第二个输出口302或第三个输出口303输出的信号的光功率比值K取得最大值时，可以得出两个分支光信号的相位差为零或Π的偶数倍，当比值K取得最小值时，可以得出两个分支光信号的相位差为Π的奇数倍。

因此，可以通过本公开上述实施例的设计，实现对电光调制器100所输入工作信号和工作状态的有效监控，基于这些监控信息去调整向偏压调制模块80输出的偏压信号，可以对两个波导臂70的固有差异导致的相位偏差进行补偿，从而可以提高电光调制器100在工作状态所输出工作信号的准确性。

基于电光调制器100的编码格式和目标输出可以预先确定出两个分支光信号所需达到的至少一个目标相位差。电光调制器100的编码格式包括但不限于NRZ编码格式和PAM4编码格式。电光调制器100的编码格式不同，目标相位差的具体设置也不同。

在一些实施例中，电光调制器100采用NRZ编码格式，两个分支光信号可以产生第一目标相位差φ1和第二目标相位差φ2，该第一目标相位差φ1和第二目标相位差φ2满足：例如，第一目标相位差φ1为2NΠ，第二目标相位差φ2为(2N+1)Π，或者，第一目标相位差φ1为2NΠ+3Π/10，第二目标相位差φ2为2NΠ+7Π/10，或者，第一目标相位差φ1为2NΠ+Π/10，第二目标相位差φ2为2NΠ+9Π/10，等等，这里不在一一列举。电光调制器100的控制芯片基于该第一目标相位差φ1和第二目标相位差φ2，向射频调制模块90输出射频调制信号。

在另一些实施例中，电光调制器100采用PAM4编码格式，两个分支光信号可以产生第一目标相位差φ1、第二目标相位差φ2、第三目标相位差φ3和第四目标相位差φ4。该第一目标相位差φ1、第二目标相位差φ2、第三目标相位差φ3和第四目标相位差φ4满足： 电光调制器100的控制芯片基于该第一目标相位差φ1、第二目标相位差φ2、第三目标相位差φ3和第四目标相位差φ4，向射频调制模块90输出射频调制信号。

在本公开的一些实施例中，第三分光元件30的第一个输出口301用于输出相位相差2NΠ的两个分支光信号的相干加强信号的光功率最大值(对应该相干加强信号的能量最大值或者强度最大值)，其中，N为0或自然数；第三分光元件30的第二个输出口302和第三个输出口303用于对应输出相位相差(2N+1)Π的两个分支光信号的相干加强信号的光功率最大值(对应该相干加强信号的能量最大值或者强度最大值)的设定分配比例，其中，设定分配比例大于0且小于1。

上述设定分配比例的具体数值不限，例如，第三分光元件30的第二个输出口302和第三个输出口303对应输出的信号均能够达到相位相差(2N+1)Π的两个分支光信号的相干加强信号的光功率最大值的50％。又例如，第三分光元件30的第二个输出口302输出的信号能够达到相位相差(2N+1)Π的两个分支光信号的相干加强信号的光功率最大值的40％，第三分光元件30的第三个输出口303输出的信号能够达到相位相差(2N+1)Π的两个分支光信号的相干加强信号的光功率最大值的60％。该设定分配比例确定后，可以基于该设定分配比例设计第三分光元件30的具体结构尺寸。

当两个分支光信号的相位差(2N+1)Π时，利用第三分光元件30的多模干涉作用，使两个分支光信号仍然产生相干加强，相干加强后的信号被等分或者按比例从第三分光元件30的第二个输出口302和第三个输出口303输出并作为监控信号并且能够达到其光功率最大值。因此，本公开实施例技术方案可以在基本不削弱电光调制器100输出的工作信号强度的前提下，获得相对较强的监控信号，使得监控的有效性得以保证。

在一些实施例中，第三分光元件30具有轴对称结构，其第二个输出口302和第三个输出口303相对第一个输出口301对称设置，该设计可以使结构上整体呈现对称性，以此来减弱元件对于波长的依赖性，可以使电光调制器100适用于更宽的信号波段，适用范围较高。

如图4所示，在本公开的一些实施例中，电光调制器100还包括：第五分光元件50，具有一进二出结构且其输入口连接第三分光元件30的第二个输出口302，包括用于输出第三监控信号的第五输出口501和用于输出第四监控信号的第六输出口502；以及，第六分光元件60，具有一进二出结构且其输入口连接第三分光元件30的第三个输出口303，包括用于输出第五监控信号的第七输出口601和用于输出第六监控信号的第八输出口602。第五分光元件50和第六分光元件60的结构可以完全相同。此外，也可以只设置第五分光元件50和第六分光元件60中的其中一个。

在本公开的一些实施例中，第一分光元件10的第一输入口101和第二输入口102具有互换对称性，第一输出口103和第二输出口104具有互换对称性；和/或，第四分光元件40的第三输出口401和第四输出口402具有互换对称性；和/或，第五分光元件50的第五输出口501和第六输出口502具有互换对称性；和/或，第六分光元件60的第七输出口601和第八输出口602具有互换对称性。

在本公开中，A％可以为根据经验确定的固定值，也可以为基于第三监控信号和第四监控信号的功率比值确定的固定值。在本公开的一些实施例中，上述A％小于50％，例如A％取值为3％或者5％。分出很小一部分光功率耦合到第二输出口104，便可以对第一输入口101输入的工作信号进行监测，既可以使监控的有效性得以保证，而且可以保证电光调制器100的调制效率。

如图4所示，在本公开的一些实施例中，第一分光元件10还包括用于输入检测信号的第二输入口102。第二输入口102可以用作电光调制器100在产品开发或者测试阶段的调试检测输入口，电光调制器100在检测状态，第二输入口102输入的光功率为P0、第一输出口103输出的光功率P4＝P0*A％，第二输出口104输出的光功率P5＝P0*(100-A)％，第三输出口401输出的光功率最大值为P6，第四输出口402输出的光功率最大值P7＝P6*A％，电光调制器100的传输损耗C＝P6/P4。其中，A％小于50％，例如A％取值为3％或者5％，可以使得大部分光功率从第二输出口104输出，从而利于提高检测的精度。

基于P0、P4、P5、P6、P7等至少一些参数的监控值，可以计算出某个设计的电光调制器100的传输损耗，如果该传输损耗被控制在目标范围内，则产品满足出厂设计需求，如果该传输损耗较大，不在目标范围内，则可以对产品的具体结构细节进行改进设计，以降低传输损耗。

在本公开的一些实施例中，电光调制器100还包括反馈模块，用于基于第一监控信号、第二监控信号、第三监控信号、第四监控信号、第五监控信号和第六监控信号中的至少一个，调整向偏压调制模块80输出的偏压信号。反馈模块可以包括设于相应监控输出口的信号强度监测传感器，在电光调制器100的输出工作信号满足精度需求的前提下，信号强度监测传感器可以实时或者按照一定频率对从输出口输出的监控信号进行检测。

该实施例中，电光调制器100本身具备对工作信号和工作状态的监控功能，可以基于这些监控信息自动地、动态地去调整向偏压调制模块80输出的偏压信号，从而对两个波导臂70的固有差异导致的相位偏差进行补偿，可以提高电光调制器100输出的工作信号的准确性和可靠性。在一些实施例中，当一些监控信号的强度达不到目标强度值时(例如监测到第一监控信号消失或者极微弱)，反馈模块还可以触发电光调制器100的报警单元发出报警提示。

应当理解的是，在本说明书中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系或尺寸为基于附图所示的方位或位置关系或尺寸，使用这些术语仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，并且因此不能理解为对本公开的保护范围的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本说明书提供了能够用于实现本公开的许多不同的实施方式或例子。应当理解的是，这些不同的实施方式或例子完全是示例性的，并且不用于以任何方式限制本公开的保护范围。本领域技术人员在本公开的说明书的公开内容的基础上，能够想到各种变化或替换，这些都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所附权利要求所限定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电光调制器，包括：

第一分光元件，包括用于输入工作信号的第一输入口、用于输出主路信号的第一输出口和用于输出第一监控信号的第二输出口；

第二分光元件，具有一进二出结构且其输入口与第一输出口连接；

两个波导臂，其一端对应连接第二分光元件的两个输出口；

偏压调制模块，用于基于偏压信号向两个波导臂施加偏置电压；

射频调制模块，用于基于射频信号向两个波导臂施加射频电压；

第三分光元件，具有二进三出结构且其两个输入口对应连接两个波导臂的另一端；以及

第四分光元件，具有一进二出结构且其输入口连接第三分光元件的第一个输出口，第四分光元件包括用于输出光功率最大值的第三输出口和用于输出第二监控信号的第四输出口。

2.根据权利要求1所述的电光调制器，其中，

电光调制器在工作状态，第一输入口输入的光功率为P1，第一输出口输出的光功率P2＝P1*(100-A)％，第二输出口输出的光功率P3＝P1*A％，其中，A％小于50％。

3.根据权利要求2所述的电光调制器，还包括：

第五分光元件，具有一进二出结构且其输入口连接第三分光元件的第二个输出口，包括用于输出第三监控信号的第五输出口和用于输出第四监控信号的第六输出口。

4.根据权利要求3所述的电光调制器，其中，

A％为固定值，或者，A％基于第三监控信号和第四监控信号的功率比值确定。

5.根据权利要求3所述的电光调制器，还包括：

第六分光元件，具有一进二出结构且其输入口连接第三分光元件的第三个输出口，包括用于输出第五监控信号的第七输出口和用于输出第六监控信号的第八输出口。

6.根据权利要求5所述的电光调制器，还包括：

反馈模块，用于基于第一监控信号、第二监控信号、第三监控信号、第四监控信号、第五监控信号和第六监控信号中的至少一个，调整向偏压调制模块输出的偏压信号。

7.根据权利要求5所述的电光调制器，其中，

第一分光元件还包括用于输入检测信号的第二输入口。

8.根据权利要求7所述的电光调制器，其中，

电光调制器在检测状态，第二输入口输入的光功率为P0、第一输出口输出的光功率P4＝P0*A％，第二输出口输出的光功率P5＝P0*(100-A)％，第三输出口输出的光功率最大值为P6，第四输出口输出的光功率最大值P7＝P6*A％，电光调制器的传输损耗C＝P6/P4。

9.根据权利要求8所述的电光调制器，其中，

第一分光元件的第一输入口和第二输入口具有互换对称性，第一输出口和第二输出口具有互换对称性；和/或

第四分光元件的第三输出口和第四输出口具有互换对称性；和/或

第五分光元件的第五输出口和第六输出口具有互换对称性；和/或

第六分光元件的第七输出口和第八输出口具有互换对称性。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的电光调制器，其中，

第三分光元件的第一个输出口用于输出相位相差2NΠ的两个分支光信号的相干加强信号的光功率最大值，其中，N为0或自然数；

第三分光元件的第二个输出口和第三个输出口用于对应输出相位相差(2N+1)Π的两个分支光信号的相干加强信号的光功率最大值的设定分配比例，其中，设定分配比例大于0且小于1。