CN1598647A - 光传输装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种双二进制光传输装置，它使用双二进制光传输技术。双二进制光传输装置可以使用X切割Mach－Zehnder干涉计型调制器。双二进制光传输装置包括输出载波的光源。双二进制编码器对输入的不归零制(NRZ)电信号进行编码。低通滤波器(LPF)将被编码的信号转换成3电平电信号。光强调制器根据3电平电信号调制载波的相位和光强，并输出2电平双二进制光信号。光强调制器可以是X切割光强调制器，它包括衬底、形成在衬底上的光波导管和用于提供电场的电极。

Description

光传输装置
技术领域
本发明涉及一种可以使用双二进制光传输技术的光传输装置，尤其涉及一种使用X切割Mach-Zehnder干涉计型调制器的双二进制光传输装置。
背景技术
使用密集波长分区多路传输(DWDM)的常规光传输系统，将包括多个具有不同波长的信道的光信号传输到单光纤。因为这种光传输系统能传输光信号而与传输速度无关，对于非常高速的因特网，这种系统很有用。这种系统使用DWDM通过单光纤可以传输至少100个信道。
虽然具有更高传输速度的系统同时给单光纤传输更多信道是理想的，但是由于信道间的干扰和失真，传输容量的扩展受到限制。  例如，根据40Gbps或更多的数据传输要求，使用现有的不归零制(NRZ)进行光强调制时，在50GHz或更小的信道间隔存在问题。现有的二进制NRZ传输信号的直流(DC)频率成分和调制中扩展的高频成分在光纤介质中传播，引起非线性和离散，因此在10Gbps或更多的高速传输中，传输距离受到限制。
光学双二进制技术是一种可能的光传输技术，它能克服由于色散而引起的对传输距离的限制。与其它常规传输方案相比，双二进制传输降低了传输光谱。在离散限定系统中，传输距离与传输光谱带宽值的平方成反比。这意味着传输光谱减少1/2时，传输距离增加四倍。另外，由于载波频率抑制在二进制传输光谱内，可以减轻由于光纤内激励的布里渊(Brillouin)散射而引起的对输出光功率的限制。
图1是图解常规双二进制光传输装置结构的方框图。
在图1中，常规双二进制光传输装置包括：脉冲图形发生器(PPG)10，用于产生基于两个电平的不归零制(NRZ)电脉冲信号；预编码器20，用于对2电平NRZ电信号进行编码；驱动放大器30和31，用于放大从预编码器20输出的编码的2电平信号，以便能执行调制器驱动操作；低通滤波器(LPF)40和41，用于将放大的电信号转换成3电平电信号，并减少信号带宽；用于输出载波的激光源50；以及Mach-Zehnder干涉计型光强调制器60。
Mach-Zehnder干涉计型光强调制器60采用相位调制。图1表示使用基于Z切割双臂结构的Mach-Zehnder干涉计型光强调制器的情形。在图1中，“Q”表示“Q”的反向信号。通过分别布置在调制器60的两个臂上的驱动放大器30、31和LPF 40、41，3电平双二进制信号输入Mach-Zehnder干涉计型光强调制器60的臂中。
预编码器20对PPG 10产生的2电平脉冲信号进行编码。通过驱动放大器30和31将输出的2电平脉冲信号放大到用于驱动调制器的信号量。放大的2电平脉冲信号输入LPF 40和41。LPF 40和41的带宽分别相当于2电平二进制信号的时钟频率的约1/4。由于带宽的过度限制而出现编码间的干扰，因为编码间的干扰，2电平二进制信号转换成3电平双二进制信号。3电平双二进制信号用作驱动Mach-Zehnder干涉计型光强调制器60的信号。根据输入Mach-Zehnder干涉计型光强调制器60的驱动信号，对从激光源50输出的载波的相位和光强进行调制，以便输出基于两个电平的双二进制光信号。
图2是图解基于Z切割双臂结构的Mach-Zehnder光强调制器的横剖视图。Z切割Mach-Zehnder光强调制器包括LiNbO3衬底101、光波导管102和电极103。Z切割Mach-Zehnder光强调制器也包括缓冲层104，以便穿过光波导管102的光波不承受电阻损耗。在图2中，X和Z表示轴向。图2表示在Z轴向上切割晶体的情形(称为Z切割结构)。而且，装置之间所示的箭头表示图2中的电场方向。
Mach-Zehnder光强调制器的操作如下。输入光由光波导管102分成两路，并且由施加到电极103的外部电场进行不同量的相位调制。当两路光波是同相成分时，光波导管102的输出端根据结构干涉输出输入光功率。当两路光波是正交相位成分时，发生结构干涉，并且光照射到衬底101，以便输出光功率降至零。
然而，上述常规装置存在一些缺点。例如，因为常规光传输装置需要两个驱动放大器和两个LPF，增加了它的制造成本。另外，所有部件(包含驱动放大器、LPF、Mach-Zehnder光强调制器等等)必须关于两臂对称，并且具有相同的增益、带宽和延时特性。这就要求必须非常仔细地选择这些部件。而且，可能需要附加部件(例如延迟设备)，用于减少两臂间的任何特性差。这样给这种系统增加了额外的制造成本。
发明内容
本发明的一方面涉及节约成本的双二进制光传输装置，它使用无缓冲层的调制器。与常规有缓冲层的调制器相比，简化了制造过程并降低了制造成本。
本发明的一个实施例提出一种双二进制光传输装置，包括：用于输出载波的光源；双二进制编码器，用于对输入的不归零制(NRZ)电信号进行编码；低通滤波器(LPF)，用于将被编码的信号转换成3电平电信号。该装置还包括光强调制器，用于根据3电平电信号调制载波的相位和光强，并输出2电平双二进制光信号。光强调制器是X切割光强调制器，该X切割光强调制器包括衬底、形成在衬底上的光波导管和用于提供电场的电极。
在另一实施例中，X切割光强调制器是在光波导管和电极之间没有缓冲层的X切割Mach-Zehnder干涉计型调制器。
在又一实施例中，双二进制光学装置包括驱动放大器，用于放大编码信号以便能响应于被放大的编码信号驱动调制器。
本发明的另一实施例提出一种双二进制光学装置，包括：用于输出载波作为光信号的光源；双二进制编码器，用于对输入的不归零制(NRZ)电信号进行编码；光强调制器，用于响应于编码信号调制载波的相位和光强。该装置也包括光波段滤过器(OBPF)，用于响应于来自光强调制器的调制光信号根据指定频带执行过滤操作。光强调制器是X切割光强调制器，该X切割光强调制器包括衬底、形成在衬底上的光波导管和用于提供电场的电极。
附图说明
根据下面结合附图的详细描述，将更清楚地理解本发明的上述和其它方面、特征和实施例，其中：
图1是图解一种常规双二进制光传输装置结构的方框图；
图2是图解基于Z切割双臂结构的Mach-Zehnder光强调制器的横剖视图；
图3是图解依据本发明一个实施例的双二进制光传输装置的结构的方框图；
图4是图解应用到本发明一个实施例的X切割Mach-Zehnder调制器的横剖视图；
图5A和5B是视觉图，图解了与0km和150km传输距离有关的传输操作之后的传输特性，使用图3和1中所示的双二进制光传输装置，通过标准单模光纤以10Gbps传输速率执行所述传输操作；
图6是曲线图，图解了与0km和200km之间的传输距离有关的传输操作时的传输特性，使用依据本发明实施例在图3中所示的双二进制光传输装置，通过标准单模光纤以10Gbps传输速率执行所述传输操作；
图7是图解依据本发明另一实施例的另一双二进制光传输装置结构的方框图。
具体实施方式
现在将参考附图详细描述本发明的实施例。在这些图中，即使在不同图中标出相同或相似部件，它们也用相同附图标记表示。在下面描述中，当本文中引用的公知功能和结构的详细描述可能使本发明的主题不清楚时，将省略该详细描述。
图3是图解依据本发明一个实施例的双二进制光传输装置300的结构的方框图。
参考图3，双二进制光传输装置300包括：信号发生器310，用于产生2电平不归零制(NRZ)数据信号；双二进制编码器320，用于对2电平NRZ数据信号进行编码；低通滤波器(LPF)340，用于将编码的2电平NRZ数据信号转换成3电平电信号，并减少信号带宽；用于输出载波的光源350；以及光强调制器360。双二进制光传输装置300也包括驱动放大器330，用于放大编码信号以便能响应于被放大的编码信号驱动光强调制器360。
信号发生器310产生2电平NRZ数据信号。例如，用产生电脉冲信号的脉冲图形发生器(PPG)能实现信号发生器310。
双二进制编码器320对2电平NRZ数据信号进行编码。例如，用预编码器能实现双二进制编码器320。
驱动放大器330放大编码信号，以便经放大的编码信号能驱动调制器360。
LPF 340的带宽相当于编码的2电平NRZ数据信号的时钟频率的约1/4。如果由于发生对带宽的过度限制而出现编码间的干扰，则因为编码间的干扰而将2电平二进制信号转换成3电平双二进制信号。
光源350产生/输出载波。例如，用激光二极管(LD)能实现光源350。
光强调制器360可以使用相位调制。例如，用无缓冲层的X切割Mach-Zehnder调制器能实现光强调制器360。
图4是图解应用到本发明一个实施例的X切割Mach-Zehnder调制器400的横剖视图。X切割Mach-Zehnder调制器400包括诸如LiNbO3衬底的电光衬底401、光波导管402和电极403。在图4中，X和Z表示轴向。图4表示在Z轴向上切割晶体的情形(称为Z切割结构)。而且，装置之间所示的箭头表示电场方向。
关于图4中所示的X切割Mach-Zehnder调制器400与图2中所示的Z切割调制器不同的一个特征在于，光波导管402位于电极403之间，并且图4所示的调制器400中不存在缓冲层。与光波导管形成在电极之下的Z切割调制器相比，X切割Mach-Zehnder调制器400的Vphi×L值减少30％。X切割Mach-Zehnder调制器400具有高电光转换效率。这里，Vphi表示半波电压，L表示电极长度。
根据电光转换效率，与上述常规装置相比，驱动电压供应低，驱动电压供应是调制器的重要因素。另外，与上述常规装置相比，芯片长度短，这意味着生产量得到提高，因为从一个晶片中生产的芯片量增加。然而，因为光速和电速不同，速度失配限定带宽，电极长度值和带宽值的乘积限定到约为8GHz×cm的值。由于这种带宽限制，没有缓冲层的X切割Mach-Zehnder调制器只用在基于2.5Gbps的应用。在下面表1中描述带有缓冲层的X切割调制器和没有缓冲层的X切割调制器之间的优点和缺点。
表1
有缓冲层的X切割调制器 无缓冲层的X切割调制器
制造过程 复杂 简单
Vphi 高 低
芯片长度 长 短
速度匹配 需要 不需要
电阻 ~50Ohm ~25Ohm
带宽 ＞5GHz 4~5GHz
应用 ＞10Gbps 2.5Gbps
在一个实施例中，具有带宽限制的无缓冲层的X切割Mach-Zehnder调制器应用到10Gbps双二进制光传输装置。在这个实施例中，X切割Mach-Zehnder调制器可以获得约4GHz的带宽。因为信号由低通过滤器(LPF)进行过滤，低通过滤器的带宽相当于双二进制信号情况下的运行速度的1/4，因此虽然对调制器的带宽进行限制，但也能传输双二进制信号而无质量或传输特性退化。还要说明的是，当适当增加LPF的带宽时，能提高二进制光信号的质量。例如，当使用4GHz带宽的调制器时，由于LPF的带宽从2.7GHz增加到3.4GHz，接收器灵敏度提高2.5dB。
图5A和5B表示图3中所示的双二进制光传输装置的特性。更详细地，图5A和5B是视觉图，图解了与0km和150km传输距离有关的传输操作之后的传输特性，使用图3和1中所示的双二进制光传输装置，通过标准单模光纤以10Gbps传输速率执行所述传输操作。在图5A和5B中，可以发现，基于0km和150km传输的视觉图之间的特性差几乎不存在。
图6是曲线图，图解了对传输特性601和传输特性602进行比较的实例，传输特性601使用依据图3中所示实施例的双二进制光传输装置，传输特性602使用图1中所示的常规双二进制光传输装置，其中传输距离在0km和200km之间，传输速率为10Gbps。在图6中，双二进制信号601和常规双二进制信号602在150km传输距离处表现出最高接收灵敏度的特性。可以看出，双二进制信号601和602表现出类似特性，即在200km传输距离处获得约-23.5dBm的接收灵敏度。在这个试验中使用的无缓冲层的X切割调制器的带宽为4Gbps，而在这个试验中使用的有缓冲层的X切割调制器的带宽为9Gbps。而且，已经使用长度为231-1的伪随机二进制序列(PRBS)进行了试验。
图7是图解依据本发明另一实施例的另一双二进制光传输装置700的结构的方框图。
参考图7，双二进制光传输装置700包括：信号发生器710，用于产生2电平不归零制(NRZ)数据信号；双二进制编码器720，用于对2电平NRZ数据信号进行编码；用于输出载波的光源740；光强调制器750；以及光波段滤过器(OBPF)760。双二进制光传输装置700也包括驱动放大器730，用于放大编码信号以便能响应于放大的编码信号驱动光强调制器750。信号发生器710、双二进制编码器720、驱动放大器730、光源740和光强调制器750类似于图3中所示实施例的部件。
由于这个实施例的结构在调制器750的输出端包括OBPF 760，光强调制器750调制相位和光强，以便能产生双二进制光信号。OBPF 760的带宽是数据传输速率的0.7倍。当调制器750的输出信号穿过OBPF 760时，双二进制发送器执行与使用电LPF的常规双二进制发送器相同的功能，以便执行转换为双二进制信号的操作。在这个实施例中，OBPF 760的带宽是数据传输速率的0.7倍已经作为实例进行了描述。然而，通过调节OBPF 760的带宽能调节双二进制光信号的传输特性。在此情况下，不需要LPF。因此，不产生3电平信号，并且不引起依据PRBS长度的信号特性退化。
本发明的各种实施例能明显降低发送器的制造成本，同时，通过将无缓冲层的X切割光强调制器应用到10Gbps双二进制光传输装置，保持免受色散的双二进制信号的优点。
而且，本发明的各种实施例使用X切割光强调制器和光波段过滤器(OBPF)，而无需电低通过滤器(LPF)，使双二进制信号能具有交叉相位特性。因此，能克服由于电过滤器而引起的对传输质量进行限制的缺点，并且能实现基于高速的光传输系统和密集波长分区多路传输(DWDM)。
虽然为了进行说明已经公开了本发明的上述实施例，本领域技术人员将理解，可能进行各种修改、增加和替换，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于上述实施例，而是本发明由下面的权利要求和它们的全部等同范围一起进行限定。

Claims (13)

1、一种双二进制光学装置，包含：
用于输出载波的光源；
双二进制编码器，用于对不归零制(NRZ)信号进行编码；
低通滤波器(LPF)，用于将被编码的信号转换成3电平电信号；
光强调制器，用于根据3电平电信号调制载波的相位和光强，并输出2电平双二进制光信号，
其中光强调制器是X切割光强调制器。
2、如权利要求1中所述的双二进制光学装置，其中所述X切割光强调制器包括衬底、形成在衬底上的光波导管和用于提供电场的电极。
3、如权利要求2中所述的双二进制光学装置，其中所述X切割光强调制器是在光波导管和电极之间没有缓冲层的X切割Mach-Zehnder干涉计型调制器。
4、如权利要求1中所述的双二进制光学装置，进一步包含：
驱动放大器，用于放大被编码的信号以便能响应于被放大的编码信号驱动调制器。
5、如权利要求1中所述的双二进制光学装置，进一步包含：
驱动放大器，用于放大3电平电信号以便能响应于被放大的3电平电信号驱动调制器。
6、如权利要求4中所述的双二进制光学装置，其中可以调节驱动放大器的输出幅度。
7、如权利要求1中所述的双二进制光学装置，其中可以调节LPF的带宽。
8、一种双二进制光学装置，包含：
用于输出载波作为光信号的光源；
双二进制编码器，用于对输入的不归零制(NRZ)电信号进行编码；
光强调制器，用于响应于被编码的信号调制载波的相位和光强；
光波段过滤器(OBPF)，所述光波段过滤器设置成可过滤来自光强调制器的经调制的光信号并输出双二进制光信号，
其中光强调制器是X切割Mach-Zehnder光强调制器。
9、如权利要求8中所述的双二进制光学装置，其中所述X切割Mach-Zehnder光强调制器包括衬底、形成在衬底上的光波导管和用于提供电场的电极。
10、如权利要求9中所述的双二进制光学装置，其中所述X切割Mach-Zehnder光强调制器是的在光波导管和电极之间没有缓冲层的X切割Mach-Zehnder干涉计型调制器。
11、如权利要求9中所述的双二进制光学装置，进一步包含：
驱动放大器，用于放大编码信号以便能响应于被放大的编码信号驱动调制器。
12、如权利要求11中所述的双二进制光学装置，其中可以调节驱动放大器的输出幅度。
13、如权利要求9中所述的双二进制光学装置，其中可以调节OBPF的带宽。
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