CN216718871U - 一种高阶调制器 - Google Patents

Abstract

本申请披露一种高阶调制器，采用一颗驱动芯片将电信号加载到多段调制器上，复杂的高阶信号无需在电域经驱动芯片合成，而是在调制器光波导合成高阶光信号。具体的高阶调制器包括引导光输入的输入光波导、引导光输出的输出光波导，输入光波导在其光输出端被分为第一调制臂、第二调制臂，光束经第一调制臂、第二调制臂调制加载信号，由输出光波导合束并输出。第一调制臂与第二调制臂分别由至少被分为2段的第一电极、第二电极控制，第一电极提供至少2个电信号加载到第一调制臂，第二电极提供至少2个电信号加载到第二调制臂。输入光波导、输出光波导为硅波导，并包覆于二氧化硅包层中。

Description

一种高阶调制器

技术领域

本申请涉及光调制领域，具体是一种能够提供高阶调制的调制器。

背景技术

随着大数据、云计算等新技术兴起，通信系统硬件技术水平升级迭代成了必然要求，特别是在单通道信息传输速率超过100Gbps，成熟的电互联技术将难以支撑传输速率的发展。相比于电互连而言，光互联具有高带宽、低功耗、低延时、低传输损耗、无电磁干扰、可并行传输等优点，能很好的解决现有网络系统中电互连存在的问题，同时采用多种调制方式以实现更高水平的传输速率，例如多电平调制。

多电平调制技术被认为是400G光互连最具应用的前景的实现方案，具有重要的学术研究价值和应用前景。通过调制激光幅度随输入高速微波信号改变，将电信号加载到激光载波上使之变成携带有用信息的光信号，即光波的幅度随基带信号变化而改变，该调制方式通常被称为脉冲幅度调制（PAM, Pulse-amplitude modulation），通过外加电压信号调制光波幅度，实现不同信号的加载。

如图1所示，有学者基于双驱马核增德尔调制器，构建了一套PAM-4光合成方案，并结合DD-MZM的调制特性和优势，通过在DD-MZM结构上的创新，直接由多路NRZ信号合成出线性度良好的PAM-8光信号。设计了一个结构上类似于IQ调制器的有两个DD-MZM并行连接组合而成的双路并行DD-MZM调制器。通过内部DD-MZM先分别单级调制出PAM-2和PAM-4光信号，然后在外部调制器光波导臂上再次实现两个多电平信号的光合成，最终实现由三路NRZ信号两级光合成PAM-8信号。基于DD-MZM的结构合成出了PAM-8光信号，该方案需要的驱动电压相对较小，且操控起来更方便。但是，在单信道信息速率达到甚至超过100Gbit/s时，PAM-4已经无法满足使用需求。并且基于DD-MZM的结构合成PAM-8光信号，仍需要DAC、ADC和DSP，制造成本偏高，且传输方式复杂低效。

发明内容

本申请披露一种高阶调制器，采用一颗驱动芯片将电信号加载到多段调制器上，复杂的高阶信号无需在电域经驱动芯片合成，而是在调制器光波导合成高阶光信号。

本申请披露的一种高阶调制器，包括引导光输入的输入光波导、引导光输出的输出光波导，输入光波导在其光输出端被分为第一调制臂、第二调制臂，光束经第一调制臂、第二调制臂调制加载信号，由输出光波导合束并输出。第一调制臂与第二调制臂分别由至少被分为2段的第一电极、第二电极控制，第一电极提供至少2个电信号加载到第一调制臂，第二电极提供至少2个电信号加载到第二调制臂。输入光波导、输出光波导为硅波导，并包覆于二氧化硅包层中。

在某些实施例中，第一电极被分为4段，分别是第三电极、第四电极、第五电极、第六电极；4段电极的长度比为1：2：4：8。第二电极包括四段电极，分别是第七电极、第八电极、第九电极、第十电极；四段长度之比为1：2：4：8。所述第三电极、第四电极、第五电极、第六电极为所述第一调制臂提供4个电信号，第七电极、第八电极、第九电极、第十电极为所述第二调制臂提供4个电信号。第一调制臂接收4个电信号，第二调制臂接收4个电信号，在输出光波导合束后，合成PAM-16信号，即实现16电平信号调制。

在某些实施例中，第三电极、第四电极、第五电极、第六电极、第七电极、第八电极、第九电极、第十电极分别加载二进制信号，二进制信号同时加载到所述第一调制臂、第二调制臂。

在某些实施例中，第一电极、第二电极直接加载二进制信号，均被分为2段时，实现PAM-4信号调制，即实现4电平信号调制。

在某些实施例中，第一电极、第二电极直接加载PAM-4（即四电平电压信号）信号，被分为2段时，实现更高阶信号调制。

在某些实施例中，第一电极、第二电极外接驱动芯片，驱动芯片提供至少2个驱动电路通道。采用单颗多通道驱动芯片驱动调制器电极，结构更紧凑，芯片尺寸更小。

本申请的技术方案，在不需要DAC、ADC和DSP的情况下，可以实现简单的二进制电信号控制，即可实现高阶调制，同时采用单颗驱动芯片控制驱动电极，降低了成本和功耗，实时传输实现起来更简单有效。

附图说明

图1为背景技术中双路并行DD-MZM结构示意图;

图2为基于本申请技术方案的一个实施例中的MZM调制器结构示意图;

图3为典型的MZM调制器整体示意图;

图4a为基于本申请技术方案的一个实施例中的对MZM调制器施加电压的一部分数据阵列示意图;

图4b为基于本申请技术方案的一个实施例中的对MZM调制器施加电压的另一部分数据阵列示意图;

图5为某一个实施例中的MZM调制器输出相移与电压配置对应表。

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。

图3所示为基础的马赫曾德尔调制器300的结构，其基于马赫曾德尔干涉仪结构设计，经两调制臂实现光信号调制，将相位信息转变为光强信息。从图中可以看出，输入端将输入光分成两路相等的信号，此两路信号分别进入两段光波导中传播，将这两段光波导称为马赫曾德尔调制器的两个臂，由于这两个‘臂’采用的材料是电光性材料，其折射率随外部施加的电信号大小变化，两个臂上折射率的变化会导致信号相位的变化，当经过调制的两路信号经过耦合器结合在一起时，合成的光信号将是一个强度大小变化的干涉信号，就是把电信号的变化转换成了光信号的变化，实现了光强度的调制。

在某些实施例中，如图2所示，调制器200被分为上臂201和下臂202，上臂201、下臂202接收由输入光波导203传输的光束，调制后由输出光波导204输出。调制器200接收由输入光波导203传输的光束，在上臂201与下臂202的支路口按照一定比例将输入光束分为两束光，具体比例根据调制需要进行设定，可以选择是1:1。

具体到图2中，上臂201与下臂202均被分成4段，沿光传播方向，4段的长度比为1:2:4:8，第一段耦合到驱动电极组205，第二段耦合到驱动电极组206，第三段耦合到驱动电极组207，第四段耦合到驱动电极组208。驱动电极组205包括耦接上臂201第一段的电极、耦接下臂202第一段的电极，同样的，驱动电极组206也包括耦接上臂201第二段的电极、耦接下臂202第二段的电极，驱动电极组207包括耦接上臂201第三段的电极、耦接下臂202第三段的电极，驱动电极组208包括耦合上臂201第四段的电极、耦接下臂202第四段的电极。相应的，驱动电极205的长度份为1单位，驱动电极组206的长度份为2单位，驱动电极组207的长度份为4单位，驱动电极组208的长度份为8单位。驱动电极组205、206、207、208反向偏置，且接收驱动芯片的电压信号。

调制器200的上臂201、下臂202外接电极被分为1:2:4:8长度比例的分段，每个分段通过对应的驱动电极接收“0”或“1”的二进制数字信号。在各段接收信号为“0”时，传输光不产生调制相移，在各段接收信号为“1”时，长度份为1的分段对传输光相移产生的贡献为1单位，长度份为2的分段贡献为2单位，长度份为4的贡献为4单位，长度份为8的分段贡献为8单位，MZM调制器输出光信号的调制为接收信号为“1”的各段贡献的总和。

如图4a中所示，在一个时刻，电极组205、206、207、208上加载电压为0，二进制数据流为“0000”，所有电极上接收的二进制信号对两臂的光束相移无贡献，即总相移为0。

另一个时刻，仅在电极205上加载一电压为a伏特，电极组206、207、208加载电压为0，a可以根据调制场景选择，可以是1伏特、1.5伏特等特定的值。此时MZM调制器接收的二进制数据流为“1000”，由于电极205的长度份为1单位，因此整个MZM调制器为光束相移提供的总贡献为1单位。

具体的另一个时刻，在电极206上加载电压a伏特，电极205、207、208上均不加载电压，此刻的MZM调制器上接收的二进制信号为“0100”，由于电极206的长度份为2单位，因此整个MZM调制器对光束相移提供的总贡献为2单位。

在另一个时刻，在电极205、206上加载电压a伏特，电极207、208上均不加载电压，此时的MZM调制器上接收的二进制信号为“1100”，MZM调制器对光束相移提供的总贡献为电极205、206长度份的累加，即1单位加2单位，总共为3单位。

图4a、图4b中分别显示的二进制数据阵列401、402为按照上述电压调制方法，加载在高阶调制器各电极上的电压根据时刻变化，可以选择加载特定的电压a伏特或者0伏特。不同时刻，加载在MZM调制器上的二进制信号流可以是“0000”、“1000”、…、“1010”、“0110”、…、“1111”，共16种不重复二进制数据流，可以实现PAM-16高阶调制。

如图5所示，表500展示了每一时刻MZM调制器上接收的二进制信号流将对调制器上下两臂传输光束的相移产生影响，不同的二进制信号流对光束相移所作的贡献不同。总的相移是所有加载电压大于0的电极长度份的累加。例如，当二进制数据为“0110”时，对应的是电极组206、207上加载电压，电极组205、208上未加载电压或电压为0，电极206的长度份为2单位，电极组207的长度份为4单位，累加的相移为2加4，即6单位。如当二进制数据为“0101”时，对应的是电极组206、208均加载电压为a伏特，电极组205、207均加载电压为0，电极组206的长度份为2单位，电极组208的长度份为8单位，累计对相移做的贡献为10单位。

在一个实施例中，驱动电极组205、206、207、208耦接在同一颗NRZ驱动芯片，实现同步驱动。

在某些实施例中，调制器上臂、下臂、输入光波导、输出光波导均是光刻在绝缘体上硅层（SOI）中的图形。调制器上下臂在分波处构成Y型分支形状，在合波处同样构成Y形分支结构。输入波导、输出波导可以采用长条形、倒锥形等构型。

在另外一个实施例中，多个MZM调制器构成调制器阵列，阵列中的每个调制器光输入端耦合到同一分光器，用于接收输入光。阵列中的每一个调制器光输出端口采用合波器整合光束，调制后的光束经合波器合波，再输出到外部传输单元。

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等换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 (8)

1.一种高阶调制器，其特征在于：包括引导光输入的输入光波导、引导光输出的输出光波导，并联于输入光波导与输出光波导之间的第一调制臂、第二调制臂；所述第一调制臂外接第一电极；所述第一电极至少被分为2段，用于向所述第一调制臂提供至少2个调制信号；所述第二调制臂外接第二电极；所述第二电极至少被分为2段，用于向所述第二调制臂提供至少2个调制信号；所述输入光波导、输出光波导为硅波导，并包覆于二氧化硅包层中。

2.根据权利要求1所述的高阶调制器，其特征在于：所述第一电极包括四段电极，分别是第三电极、第四电极、第五电极、第六电极；所述第二电极包括四段电极，分别是第七电极、第八电极、第九电极、第十电极；所述第三电极、第四电极、第五电极、第六电极为所述第一调制臂提供4个电信号，第七电极、第八电极、第九电极、第十电极为所述第二调制臂提供4个电信号。

3.根据权利要求2所述的高阶调制器，其特征在于：所述第三电极、第四电极、第五电极、第六电极、第七电极、第八电极、第九电极、第十电极分别加载二进制信号，所述二进制信号同时加载到所述第一调制臂、第二调制臂。

4.根据权利要求1所述的高阶调制器，其特征在于：所述第一电极中的每一段接收二进制调制信号，所述第二电极中的每一段接收二进制调制信号。

5.根据权利要求1所述的高阶调制器，其特征在于：所述第一电极接收四电平电压信号，所述第二电极接收四电平电压信号。

6.根据权利要求2所述的高阶调制器，其特征在于：所述第三电极、第四电极、第五电极、第六电极长度比为1：2：4：8。

7.根据权利要求1所述的高阶调制器，其特征在于：所述第一电极、第二电极外接驱动芯片，所述驱动芯片提供至少2个驱动电路通道。

8.根据权利要求1所述的高阶调制器，其特征在于：所述输入光波导输入连续波，分束后经所述第一调制臂、第二调制臂调制，所述输出光波导用于调制后的光信号合束并输出。

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