SE523350C2 - Modulator transmitter for fiber optic communication at high speeds - Google Patents
Modulator transmitter for fiber optic communication at high speedsInfo
- Publication number
- SE523350C2 SE523350C2 SE0102646A SE0102646A SE523350C2 SE 523350 C2 SE523350 C2 SE 523350C2 SE 0102646 A SE0102646 A SE 0102646A SE 0102646 A SE0102646 A SE 0102646A SE 523350 C2 SE523350 C2 SE 523350C2
- Authority
- SE
- Sweden
- Prior art keywords
- signal
- optical signal
- electrical signal
- electrical
- amplified
- Prior art date
Links
- 238000004891 communication Methods 0.000 title description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 154
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 26
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 claims description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 22
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 11
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 11
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 7
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 5
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 4
- 101150082727 sod-3 gene Proteins 0.000 claims 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 abstract description 5
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 abstract description 2
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 abstract 3
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 5
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- HCBIBCJNVBAKAB-UHFFFAOYSA-N Procaine hydrochloride Chemical compound Cl.CCN(CC)CCOC(=O)C1=CC=C(N)C=C1 HCBIBCJNVBAKAB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000007429 general method Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 2
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 229910003327 LiNbO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- RGNPBRKPHBKNKX-UHFFFAOYSA-N hexaflumuron Chemical compound C1=C(Cl)C(OC(F)(F)C(F)F)=C(Cl)C=C1NC(=O)NC(=O)C1=C(F)C=CC=C1F RGNPBRKPHBKNKX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 244000045947 parasite Species 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 238000005549 size reduction Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/0121—Operation of devices; Circuit arrangements, not otherwise provided for in this subclass
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
- G02F1/0155—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction modulating the optical absorption
- G02F1/0157—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction modulating the optical absorption using electro-absorption effects, e.g. Franz-Keldysh [FK] effect or quantum confined stark effect [QCSE]
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F2201/00—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00
- G02F2201/16—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 series; tandem
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
- Optical Communication System (AREA)
Abstract
Description
523 350 specificerade för varje kommersiell standard, såsom SONET (_s_ynchronous gptical gçlwork) eller Ethernet (IEEE 802.3). 523 350 specified for each commercial standard, such as SONET (_s_ynchronous gptical gçlwork) or Ethernet (IEEE 802.3).
Transistorerna i den elektriska drivkretsen liksom i den optoelektriska enheten ger begränsningar i sändarens arbetskapacitet. Dessa begränsningar beror på en kombination av interna laddnings- och transittider.The transistors in the electric drive circuit as well as in the optoelectric unit limit the transmitter's working capacity. These limitations are due to a combination of internal charging and transit times.
De båda enheternas transistorer ger ytterligare begränsningar i högsta möjliga ER. Å ena sidan begränsar risken för lavingenombrott den maximala spänning som transistorerna kan hantera. Å andra sidan kräver den optoelektriska enheten en minimispänning för att ge tillräckligt ER. Maximal operationshastighet för alla slags transistorer, bipolära eller FET, i ett givet halvledarmaterial bestäms av .transistorns geometriska utsträckning. Ökad hastighet kräver i allmänhet mindre storlekar, vilket i sin tur sänker lavingenombrotts- spänningarna för komponenterna.The transistors of the two units provide additional limitations in the highest possible ER. On the one hand, the risk of avalanche breakdown limits the maximum voltage that transistors can handle. On the other hand, the optoelectric device requires a minimum voltage to provide sufficient ER. Maximum operating speed for all kinds of transistors, bipolar or FET, in a given semiconductor material is determined by the geometric extent of the transistor. Increased speed generally requires smaller sizes, which in turn lowers the avalanche breakdown voltages for the components.
Således måste en kompromiss alltid göras mellan hastighet och spänning för alla transistorer av ett specifikt material. Denna kompromiss refereras oftast till som Johnson-gränsen.Thus, a compromise must always be made between speed and voltage for all transistors of a specific material. This compromise is most often referred to as the Johnson boundary.
När dimensionerna reduceras för ljusmodulatorer, såsom vanliga elektroabsorbtionsmodulatorer (EAM) eller elektroabsorbtions- modulatorer av vandringsvågstyp (TWEAM), för att öka deras respektive maximala operationshastighet, kommer även den spänning som krävs för ett visst ER att öka. Detta beror på att storleksreduktionen förkortar den distans över vilken ljusfältet och det elektriska fältet kan interagera.As the dimensions are reduced for light modulators, such as standard electro-absorption modulators (EAMs) or traveling wave-type electroabsorbent modulators (TWEAM), to increase their respective maximum operating speeds, the voltage required for a given ER will also increase. This is because the size reduction shortens the distance over which the light field and the electric field can interact.
Därför blir en kombinerad elektrisk drivkrets och optoelektrisk enhet begränsad vad avser en kombination av hastighet och utsläckningsförhållande. Det är nämligen nödvändigt att göra en spänningskompromiss mellan den elektriska drivkretsen och den optoelektriska enheten.Therefore, a combined electric drive circuit and optoelectric unit will be limited in terms of a combination of speed and quench ratio. Namely, it is necessary to make a voltage compromise between the electric drive circuit and the optoelectric unit.
Det finns två fundamentalt olika men tämligen rättframma angreppssätt för att kringgå problemet med spänningens 10 15 20 25 30 (II fx) (JJ CN (11 CI) . .ån koppling mellan den elektriska drivkretsen och den optoelektriska enheten. Antingen kan halvledarmaterialet i den elektriska drivkretsen ändras, så att transistorerna får ett större bandgap och således kan hantera högre spänningar innan_ lavingenombrott uppstår, eller sä kan den optoelektriska enheten förbättras för att ge större bandbredd redan vid en relativt låg drivspänning.There are two fundamentally different but fairly straightforward approaches to circumventing the problem of the voltage between the electric drive circuit and the optoelectric unit. Either the semiconductor material in the electric the drive circuit is changed so that the transistors have a larger bandgap and thus can handle higher voltages before an avalanche breakdown occurs, or the optoelectric unit can be improved to provide a larger bandwidth even at a relatively low drive voltage.
Angreppssätt 1: Dagens vanliga transistorer för höga hastigheter har kollektor eller drain-områden av kisel (t.ex.Approach 1: Today's standard high speed transistors have collector or drain areas of silicon (e.g.
CMOS-transistorer (gomplementary metal-gxide _s_emiconductor) och SiGe bipolära transistorer) eller lnGaAs (t.ex. i SHBT (single heterojunction bipolar 1ransistor)). CMOS-kretsar, där transistorerna har brytfrekvenser i storleksordningen 100 GHz och typiskt är mindre än 0.10 um stora, är i allmänhet begränsade till matningsspänningar under 1.5 V. Bipolära kiseltransistorer med brytfrekvenser över 100 GHz förväntas ha genombrottsspänningar kollektor-emitter under 2.0 V, och de ännu snabbare lnP-baserade SHBT:erna med brytfrekvenser över 200 GHz har genombrottsspänningar strax över 1 V. I forskningssammanhang har dock bipolära transistorer med brytfrekvenser på 200-300 GHz och genombrottsspänningar runt 5 V demonstrerats.CMOS transistors (complementary metal-gxide _s_emiconductor) and SiGe bipolar transistors) or lnGaAs (eg in SHBT (single heterojunction bipolar transistor)). CMOS circuits, where the transistors have cut-off frequencies of the order of 100 GHz and are typically less than 0.10 μm in size, are generally limited to supply voltages below 1.5 V. Bipolar silicon transistors with cut-off frequencies above 100 GHz are expected to have breakdown voltages of collector-emitter below 2.0 V, and they even faster lnP-based SHBTs with break frequencies above 200 GHz have breakthrough voltages just over 1 V. In research contexts, however, bipolar transistors with break frequencies of 200-300 GHz and breakthrough voltages around 5 V have been demonstrated.
Angreppssätt 2: För TWEAM:er kan förhållandet mellan bandbredd och drivspänning förbättras genom att längden på modulatordelen kortas. Tabellen nedan exemplifierar några typiska state-of-the-art-värden för detta.Approach 2: For TWEAMs, the ratio between bandwidth and drive voltage can be improved by shortening the length of the modulator part. The table below exemplifies some typical state-of-the-art values for this.
Längd (pm) lade-BW (GHz) [ER (de för 1v) 950 14 40 450 43 22 250 67 12 Även om väsentliga förbättringar görs enligt endera eller båda dessa angreppssätt måste en spänningskompromiss ändå till slut göras.Length (pm) Charged BW (GHz) [ER (1v) 950 14 40 450 43 22 250 67 12 Even if significant improvements are made according to one or both of these approaches, a voltage compromise must still be made in the end.
Känd teknik inkluderar även ett antal alternativa angreppssätt 10 15 20 25 30 35 (.J'1 |\\) (N LN LH CD - -Gu för att uppnå effektiva fiberoptiska modulatorer för höga hastigheter. Exempelvis kan multipla konsekutiva modulatorsteg användas för generering av de optiska pulserna.The prior art also includes a number of alternative approaches (.J'1 | \\) (N LN LH CD - -Gu to achieve efficient high speed fiber optic modulators. For example, multiple consecutive modulator steps can be used to generate the optical pulses.
G. L. Li m.f|. ger ett första exempel i artikeln ”Ultrahigh-Speed Travelling-Wave Electroabsorption Modulator - Design and Analysis”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techni- ques, volym 47, n-r 7, -sid 1177 - 1183, juli 1999. Artikeln beskriver i första hand en kretsmodell för TWEAM:er. Dock presenterar dokumentet även en passiv version av en modulator med ett flertal kaskadkopplade sektioner. Den optiska vågledaren inkluderar här relativt långa passiva delar mellan ganska korta modulerande sektioner. Trots att tanken bakom denna konstruktion är att matcha hastighet/fördröjning mellan det elektriska och det optiska fältet vid den standardiserade inimpedansen (50 ohm) misslyckas den med att uppnå den nödvändiga reduktionen av drivspänningen.G. L. Li m.f |. gives a first example in the article “Ultrahigh-Speed Traveling-Wave Electroabsorption Modulator - Design and Analysis”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, volume 47, no. 7, -page 1177 - 1183, July 1999. The article describes in the first hand a circuit model for TWEAMs. However, the document also presents a passive version of a modulator with several cascade-connected sections. The optical waveguide here includes relatively long passive parts between rather short modulating sections. Although the idea behind this design is to match the speed / delay between the electric and optical fields at the standardized input impedance (50 ohms), it fails to achieve the necessary reduction of the driving voltage.
V. Kaman m.f|., "lntegrated Tandem Electroabsorption Modulators for High-Speed OTDM Applications", IEEE Photonic Technology Letters, volym 12, nr 11, sid 1471 - 1473, november 2000, beskriver en optisk kortpulsgenerator- och demultiplexerlösning för OTDM-system (gptical time division multiplex) som opererar vid bit-hastigheter over 100 Gb/s. Dock föreslås ingen faktisk modulatorstruktur. Dessutom kräver OTDM-signalerna RZ-format (return to gero), vilket är mindre bandbreddseffektivt än det oftare använda NRZ-formatet (gon- geturn to gero) och därför inte är lika kommersiellt attraktivt.V. Kaman et al., "Integrated Tandem Electroabsorption Modulators for High-Speed OTDM Applications", IEEE Photonic Technology Letters, Volume 12, No. 11, pages 1471 - 1473, November 2000, describes an optical card pulse generator and demultiplexer solution for OTDM systems. (gptical time division multiplex) which operates at bit rates above 100 Gb / s. However, no actual modulator structure is proposed. In addition, the OTDM signals require RZ (return to gero) format, which is less bandwidth efficient than the more commonly used NRZ (go to turn gero) format and therefore not as commercially attractive.
US 5798856 beskriver en optisk pulsgenerator som innefattar två eller flera kaskadkopplade EAM:er. Minst en modulator av en första uppsättning modulatorer producerar en sekvens av korta optiska pulser. En följande modulator kan sedan blockera eller släppa igenom dessa optiska pulser baserat på en informationssignal, på så sätt att en optisk utsignal representerar denna information. Dokumentet visar även ett konstruktionsexempel där en laserdiod integreras på samma substratstruktur som modulatorerna. Dock kräver alla de 10 15 20 25 30 (_11 ND CN CN (Ti CD - u.. föreslagna utförandena jämförelsevis hög spänningsamplitud för att representera informationssignalen. Detta resulterar i sin tur i stora förluster och problem relaterade till effektförluster.US 5798856 discloses an optical pulse generator comprising two or more cascaded EAMs. At least one modulator of a first set of modulators produces a sequence of short optical pulses. A subsequent modulator can then block or transmit these optical pulses based on an information signal, such that an optical output signal represents this information. The document also shows a construction example where a laser diode is integrated on the same substrate structure as the modulators. However, all of the proposed embodiments require comparatively high voltage amplitude to represent the information signal, which in turn results in large losses and power related problems.
Dessutom är den genererade optiska signalen i RZ-format, vilket såsom ovan nämnts använder bandbredden relativt dåligt.In addition, the generated optical signal is in RZ format, which, as mentioned above, uses the bandwidth relatively poorly.
SAMMANFATTNING-AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är därför att åstadkomma en effektiv optoelektrlsk sändarlösning, som minskar ovan nämnda problem och således innebär en väsentlig förbättring av förhållandet mellan sändarens bandbredd och utsläcknings- förhållande.SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is therefore to provide an effective optoelectric transmitter solution, which reduces the above-mentioned problems and thus entails a significant improvement of the ratio between the transmitter's bandwidth and the extinction ratio.
Detta syfte uppnås enligt en aspekt av uppfinningen genom en optoelektrisk sändare såsom tidigare beskrivits, vilken kännetecknas av att den innefattar en elektrisk transmissions- ledning för mottagning av en första elektrisk signal. Den optoelektriska sändaren inkluderar även minst en andra drivkrets för mottagning av en fördröjd version av den första elektriska signalen via den elektriska transmissionsledningen.This object is achieved according to an aspect of the invention by an optoelectric transmitter as previously described, which is characterized in that it comprises an electrical transmission line for receiving a first electrical signal. The optoelectric transmitter also includes at least one second drive circuit for receiving a delayed version of the first electrical signal via the electrical transmission line.
Som svar på den fördröjda signalen producerar den minst en andra drivkretsen minst en andra förstärkt elektrisk signal.In response to the delayed signal, it produces at least one second drive circuit at least one second amplified electrical signal.
Dessutom är en kontinuerlig optisk vågledare inkluderad i den optoelektriska sändaren. Den optiska vågledaren tar emot en optisk signal med konstant intensitet, den första förstärkta elektriska signalen och den minst en andra förstärkta elektriska signalen, och producerar som svar på dessa signaler en resulterande optisk signal som innefattar samma information som den elektriska signalen.In addition, a continuous optical waveguide is included in the optoelectric transmitter. The optical waveguide receives a constant intensity optical signal, the first amplified electrical signal and the at least one second amplified electrical signal, and in response to these signals produces a resulting optical signal which includes the same information as the electrical signal.
Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen inkluderar den kontinuerliga optiska vågledaren en modulatorsektion för var och en av drivkretsarna. Dessa modulatorsektioner tar emot var sin förstärkt elektrisk signal. De tar dessutom emot var sin optisk signal via den optiska vågledaren. Som svar på de mottagna signalerna producerar varje modulatorsektion var sin 10 15 20 25 30 01 ß.) (JJ (N 01 CI) modulerad optisk signal. Den resulterande optiska signalen motsvarar en samverkan mellan dessa optiska signaler.According to a preferred embodiment of the invention, the continuous optical waveguide includes a modulator section for each of the drive circuits. These modulator sections each receive an amplified electrical signal. They also each receive their own optical signal via the optical waveguide. In response to the received signals, each modulator section produces its own modulated optical signal (JJ (N 01 CI), the resulting optical signal corresponds to an interaction between these optical signals.
Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen inkluderar den elektriska transmissionsledningen ett fördröjande element mellan den första drivkretsen och var och en av de minst en andra drivkretsarna. Varje sådant fördröjningselement ger en bestämd-fördröjning av den elektriska signalen, vilken är ekvivalent med den fördröjning som var och en av modulatorsektionerna ger för den modulerade optiska signalen.According to another preferred embodiment of the invention, the electrical transmission line includes a delaying element between the first drive circuit and each of the at least one second drive circuits. Each such delay element provides a predetermined delay of the electrical signal which is equivalent to the delay provided by each of the modulator sections for the modulated optical signal.
Således överensstämmer de elektriska signalerna från den minst en andra drivkretsen i fas med den första modulerade optiska signalen (liksom med varandra).Thus, the electrical signals from the at least one second drive circuit are in phase with the first modulated optical signal (as well as with each other).
Enligt ytterligare en föredragen utföringsforrn av uppfinningen tar transmissionsledningens första ände emot den första elektriska signalen, och ett termineringsmotstånd i en andra ände av transmissionsledningen terminerar all kvarvarande energi i den första elektriska signalen. På detta sätt undviks oönskade stående vågor i transmissionsledningen.According to a further preferred embodiment of the invention, the first end of the transmission line receives the first electrical signal, and a termination resistor at a second end of the transmission line terminates all the remaining energy in the first electrical signal. In this way, unwanted standing waves in the transmission line are avoided.
Syftet uppnås enligt en annan aspekt av uppfinningen genom en metod för konvertering av en elektrisk signal till en optisk signal, såsom tidigare beskrivits, vilken kännetecknas av följande procedursteg: produktion av en första fördröjd elektrisk signal genom fördröjning av den första elektriska signalen i proportion till en processfördröjning i produktionen av den första modulerade optiska signalen, på så sätt att en förstärkt version av den första fördröjda elektriska signalen överensstämmer i fas med den första modulerade optiska signalen, förstärkning av den första fördröjda elektriska signalen till en andra förstärkt elektrisk signal, modulering av den första modulerade optiska signalen med avseende på den andra förstärkta elektriska signalen till en andra modulerad optisk signal, och formande av en resulterande optisk signal genom samverkan mellan åtminstone den första modulerade optiska signalen och den andra modulerade optiska signalen. 10 15 20 25 30 s nå..The object is achieved according to another aspect of the invention by a method for converting an electrical signal into an optical signal, as previously described, which is characterized by the following procedural steps: production of a first delayed electrical signal by delaying the first electrical signal in proportion to a process delay in the production of the first modulated optical signal, in such a way that an amplified version of the first delayed electrical signal corresponds in phase with the first modulated optical signal, amplification of the first delayed electrical signal to a second amplified electrical signal, modulation of the first modulated optical signal with respect to the second amplified electrical signal into a second modulated optical signal, and forming a resulting optical signal by cooperating between at least the first modulated optical signal and the second modulated optical signal. 10 15 20 25 30 s now ..
Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen innefattar den föreslagna metoden även de ytterligare stegen att: producera minst en andra fördröjd elektrisk signal genom fördröjning av den första elektriska signalen i proportion till processfördröjningen i produktionen av den andra modulerade optiska signalen på så sätt att en förstärkt version av den andra fördröjda elektriska signalen överensstämmer i fas med den andra modulerade optiska signalen, förstärkning av den andra fördröjda elektriska signalen till en tredje förstärkt elektrisk signal, modulering av den andra modulerade optiska signalen med avseende på den tredje förstärkta elektriska signalen till en tredje modulerad optisk signal, och formande av den resulterande optiska signalen genom samverkan mellan den första, den andra och den tredje modulerade optiska signalen.According to a preferred embodiment of the invention, the proposed method also comprises the further steps of: producing at least one second delayed electrical signal by delaying the first electrical signal in proportion to the process delay in the production of the second modulated optical signal in such a way that an amplified version of the second delayed electrical signal corresponds in phase with the second modulated optical signal, amplification of the second delayed electrical signal to a third amplified electrical signal, modulation of the second modulated optical signal with respect to the third amplified electrical signal to a third modulated optical signal , and forming the resulting optical signal by cooperating between the first, second and third modulated optical signals.
Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen repeteras de fördröjande, förstärkande, modulerande och samverkande stegen med avseende på minst en ytterligare cykel, och i den resulterande optiska signalen ingår även en fjärde modulerad optisk signal.According to another preferred embodiment of the invention, the delaying, amplifying, modulating and cooperating steps are repeated with respect to at least one further cycle, and the resulting optical signal also includes a fourth modulated optical signal.
Den föreslagna multisektions-modulatorstrukturen erbjuder för ett givet utsläckningsförhållande en signalspänningsamplitud som är väsentligen lägre än för någon känd multisektions- modulatorstruktur. Detta garanterar i sin tur förbättrade hastighets- och frekvensprestanda oberoende av modulatortyp, transistorteknologi och halvledarmaterial.The proposed multisection modulator structure offers for a given quench ratio a signal voltage amplitude which is substantially lower than for any known multisection modulator structure. This in turn guarantees improved speed and frequency performance regardless of modulator type, transistor technology and semiconductor material.
Transistorerna i modulatorns drivkretsar kan således samtidigt ha en så hög övre frekvensgräns och låg genombrottsspänning att transistorer av godtyckligt halvledarmaterial kan användas vid höga bit-hastigheter.The transistors in the drive circuits of the modulator can thus simultaneously have such a high upper frequency limit and low breakdown voltage that transistors of any semiconductor material can be used at high bit rates.
En ytterligare konsekvens av uppfinningen är att konstruktörer av optoelektriska sändare ges en större frihetsgrad vid valet av sändarens inimpedans. Denna impedans kan nämligen nu väljas till ett värde som skiljer sig från modulatorsektionens karakteristiska impedans. 10 15 20 25 (Ti I\J (N LN 0-1 CJ Slutligen tillåter uppfinningen överföring av elektriskt tidsmultiplexade optiska utsignaler av NRZ-format vid bit- hastigheter över 100 Gb/s. Detta är bättre än alla kända alternativa konstruktioner.A further consequence of the invention is that designers of optoelectric transmitters are given a greater degree of freedom in the choice of the transmitter's impedance. This impedance can now be selected to a value that differs from the characteristic impedance of the modulator section. Finally, the invention allows the transmission of electrically time-multiplexed optical outputs of NRZ format at bit rates above 100 Gb / s. This is better than all known alternative designs.
KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen kommerwnu att förklaras närmare med hjälp av föredragna utföringsformer, vilka beskrivs som exempel, och med hänvisning till de bifogade ritningarna. visar ett allmänt blockschema över en känd konstruktion av en optoelektrisk sändare, Figur 1 visar ett kretsschema över en i sig känd optoelektrisk sändare med en sektion, Figur 2 visar en graf representerande en spänningspuls som levereras av drivkretsen i figur 2, Figur 3a Figur 3b visar en graf representerande en motsvarande optisk puls som produceras av den optoelektriska sändaren i figur 2, visar ett kretsschema över en optoelektrisk sändare enligt en utföringsform av uppfinningen, Figur 4 visar en graf representerande spänningspulser som levereras av den optoelektriska sändarens i figur 4 drivkretsar, Figur 5a Figur 5b visar en graf representerande motsvarande optiska pulser som produceras av den optoelektriska sändaren ifigur4,och Figur6 illustrerar, med hjälp av ett flödesschema, en allmän metod enligt uppfinningen. 10 15 20 25 30 35 (Ill I\J (N CN (fl CD o :Lg- BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER AV UPPFlNNlNGEN Figur 1 visar ett allmänt blockschema över en känd optoelektrisk sändare 100 som kan inkludera en optoelektrisk modulator 120 av godtycklig typ. En optisk signalkälla 110, exempelvis en halvledarlaser, i sändaren 100 producerar en optisk grundsignal Bo, vilken i sig saknar informationsinnehåll. Den optiska grundsignalen BO kan ha vilket format som helst som är användbart i den specifika tillämpningen. Den optoelektriska modulatorn 120 tar också emot en elektrisk signal Se som representerar information. Med hjälp av den optoelektriska modulatorn 120 modulerar den elektriska signalen Se den optiska grundsignalen Bo så att en optisk utsignal S0 produceras som representerar samma information som den elektriska signalen Se. I de flesta fall tar en optisk fiber 121 emot den optiska utsignalen S., och vidarebefordrar denna till de avsedda slutmottagarna.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will now be explained in more detail by means of preferred embodiments, which are described by way of example, and with reference to the accompanying drawings. shows a general block diagram of a known construction of an optoelectric transmitter, Figure 1 shows a circuit diagram of an optoelectric transmitter known per se with a section, Figure 2 shows a graph representing a voltage pulse supplied by the drive circuit in Figure 2, Figure 3a Figure 3b shows a graph representing a corresponding optical pulse produced by the optoelectric transmitter in Figure 2 shows a circuit diagram of an optoelectric transmitter according to an embodiment of the invention, Figure 4 shows a graph representing voltage pulses supplied by the drive circuits of the optoelectric transmitter in Figure 4, Figure 5a Figure 5b shows a graph representing the corresponding optical pulses produced by the optoelectric transmitter in Figure 4, and Figure 6 illustrates, by means of a flow chart, a general method according to the invention. 10 15 20 25 30 35 (Ill I \ J (N CN (fl CD o: Lg- DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS OF THE INVENTION Figure 1 shows a general block diagram of a known optoelectric transmitter 100 which may include an optoelectric modulator 120 of any type. An optical signal source 110, such as a semiconductor laser, in the transmitter 100 produces a basic optical signal Bo, which in itself lacks information content.The basic optical signal BO can have any format useful in the specific application.The optoelectric modulator 120 also receives a electrical signal Se representing information Using the optoelectric modulator 120, the electrical signal Se modulates the basic optical signal Bo so that an optical output signal S0 is produced which represents the same information as the electrical signal Se.In most cases, an optical fiber 121 receives the optical output signal S., and forwards it to the intended final receivers.
Figur 2 visar ett kretsschema över en i sig känd optoelektrisk sändare av TWEAM-typ med en sektion. Den optiska grundsignalen Bo i figur 1 utgör här en optisk signal med konstant intensitet CWO, som kan ha genererats av en halvledarlaser. "Den konstanta optiska signalen CWO matas direkt till en optisk vågledare 221 som även fungerar som en modulatorsektion. Den optiska vågledaren 221 har en längd L, typiskt i storleksordningen 250-1000 um, och termineras av ett termineringsmotstånd 222 i närheten av sin utgång.Figure 2 shows a circuit diagram of a TWEAM type optoelectric transmitter known per se with a section. The basic optical signal Bo in Fig. 1 here constitutes an optical signal of constant intensity CWO, which may have been generated by a semiconductor laser. "The constant optical signal CWO is fed directly to an optical waveguide 221 which also acts as a modulator section. The optical waveguide 221 has a length L, typically in the order of 250-1000 μm, and is terminated by a termination resistor 222 near its output.
Utöver den optiska signalen med konstant intensitet CWO tar den optiska vågledaren 221 även emot en förstärkt elektrisk signal V' från en drivkrets 223. Drivkretsen 223 tar i sin tur emot en första elektrisk signal V och producerar som svar den förstärkta elektriska signalen V' med motsvarande karakteristik. Alla spänningsvariationer i ingångsspänningen V reflekteras således av ekvivalenta variationer i den förstärkta elektriska signalen V'.In addition to the constant intensity optical signal CWO, the optical waveguide 221 also receives an amplified electrical signal V 'from a drive circuit 223. The drive circuit 223 in turn receives a first electrical signal V and in response produces the amplified electrical signal V' with the corresponding characteristic. All voltage variations in the input voltage V are thus reflected by equivalent variations in the amplified electrical signal V '.
Specifikt ger en spänningspuls med en viss amplitud och längd en ekvivalent puls i den förstärkta elektriska signalen V', 10 15 20 25 30 35 525 350 10 exempelvis med en amplitud av storleksordningen Av, initierad vid en första tidpunkt t1 och avslutad vid en andra, något senare, tidpunkt. Figur 3a visar en grafisk representation av en sådan puls.Specifically, a voltage pulse of a certain amplitude and length gives an equivalent pulse in the amplified electrical signal V ', for example with an amplitude of the order of Av, initiated at a first time t1 and terminated at a second, slightly later, time. Figure 3a shows a graphical representation of such a pulse.
När denna puls når den optiska vågledaren 221 interagerar den optiska signalens CW., ljusfält med den elektriska signalens V' elektriska fält. - Som -ett resultat av detta produceras en modulerad optisk signal Poppv, vilken representerar nämnda första elektriska signals V puls. Figur 3b visar en graf över den senare pulsen. Dock startar på grund av överföringstiden genom den optiska vågledaren 221 den optiska signalpulsen Popw först en tid ö efter den första elektriska signalens V puls. Tiden ö är i allmänhet proportionell mot vågledarens 221 längd L. Den optiska signalen Popw har ett högt tillstånd P, dBm och ett lågt tillstånd P0 dBm (där enheten ”dBm” innebär decibel relativt 1 milliwatt = 10* watt), vilket gör att ER för den optiska signalen Poppv blir ER = P1 - P0, där ER uttrycks i dB.When this pulse reaches the optical waveguide 221, the light field of the optical signal CW interacts with the electric field of the electric signal V '. As a result of this, a modulated optical signal Poppv is produced, which represents the pulse V of said first electrical signal. Figure 3b shows a graph of the later pulse. However, due to the transmission time through the optical waveguide 221, the optical signal pulse Popw only starts some time ö after the pulse of the first electrical signal V. The time ö is generally proportional to the length L of the waveguide 221. The optical signal Popw has a high state P, dBm and a low state P0 dBm (where the unit "dBm" means decibels relative to 1 milliwatt = 10 * watts), which means that ER for the optical signal Poppv becomes ER = P1 - P0, where ER is expressed in dB.
Uppfinningen kombinerar existerande tekniker för optimering av frekvensbeteendet för den elektriska drivkretsen och den optoelektriska enheten med existerande tekniker för ökning av den uppnäeliga effekten på den optiska signalen, för att uppnå en mycket hög transmissionshastighet för den optoelektriska sändaren. » Figur 4 visar ett kretsschema över en optoelektrisk sändare enligt en utföringsform av uppfinningen. Även om den utföringsform som skall beskrivas hänför sig till modulatorer av TWEAM-typ kan uppfinningen appliceras lika väl på andra typer av modulatorer. Exempelvis kan koncentrerade elektro- absorbtionsmodulatorer (EAM) eller Mach-Zender-modulatorer kaskadkopplas enligt den föreslagna principen. Den förra typen av modulatorer har de flesta kännetecken gemensamma med TWEAM:er, dock är deras bandbredd något smalare. Den senare typen av modulatorer är flera storleksordningar större och kräver i allmänhet högre drivspänningar. De generella arbetsprinciperna motsvarar dock de som gäller för TWEAM:er. l 10 15 20 25 30 (fl DJ (N 'I ll CD 11 artikeln "Modeling and Optimization of Traveling-Wave LiNbO3 Interface Modulators", IEEE Journal of Quantum Electronics, volym 27, nr 3, mars 1991, beskriver H. Chung m.f|. utmärkande drag för denna typ av modulatorer.The invention combines existing techniques for optimizing the frequency behavior of the electric drive circuit and the optoelectric unit with existing techniques for increasing the achievable power of the optical signal, in order to achieve a very high transmission speed of the optoelectric transmitter. Figure 4 shows a circuit diagram of an optoelectric transmitter according to an embodiment of the invention. Although the embodiment to be described relates to TWEAM-type modulators, the invention can be applied equally well to other types of modulators. For example, concentrated electroabsorption modulators (EAM) or Mach-Zender modulators can be cascaded according to the proposed principle. The former type of modulator has most features in common with TWEAMs, however, their bandwidth is slightly narrower. The latter type of modulators are several orders of magnitude larger and generally require higher operating voltages. However, the general working principles correspond to those that apply to TWEAMs. l 10 15 20 25 30 (fl DJ (N 'I ll CD 11 article "Modeling and Optimization of Traveling-Wave LiNbO3 Interface Modulators", IEEE Journal of Quantum Electronics, Volume 27, No. 3, March 1991, describes H. Chung et al. Characteristic features of this type of modulator.
Uppfinningen kan dessutom användas för förbättring av prestanda för framtida tekniker för utveckling av frekvensbeteende för- den elektriska drivkretsen och den optoelektriska enheten och/eller ökning av uppnåelig optisk effekt.The invention can also be used to improve the performance of future techniques for developing frequency behavior for the electric drive circuit and the optoelectric unit and / or to increase the achievable optical power.
Den optoelektriska sändaren i figur 4 innefattar en optisk signalkälla 410, en kontinuerlig optisk vågledare 421, en elektrisk transmissionsledning 424 och en uppsättning drivkretsar 423a - 423c.The optoelectric transmitter of Figure 4 includes an optical signal source 410, a continuous optical waveguide 421, an electrical transmission line 424, and a set of driver circuits 423a-423c.
Den optiska signalkällan 410 levererar en optisk signal med konstant intensitet CW., till den optiska vågledaren 421. En första elektrisk signal Se som representerar information matas till en första ände av den elektriska transmissionsledningen 424.The optical signal source 410 supplies a constant intensity optical signal CW., To the optical waveguide 421. A first electrical signal Se representing information is fed to a first end of the electrical transmission line 424.
En första drivkrets 423a tar också emot den första elektriska signalen Se.A first drive circuit 423a also receives the first electrical signal Se.
Den första elektriska signalen Se kan ha godtyckligt format och således bära "informationen enligt godtycklig representation.The first electrical signal Se may be of any format and thus carry the information according to any representation.
Exempelvis kan spänning lägre än en första nivå representera ett lågt tillstånd, motsvarande en binär och spänning högre än en andra nivå representera ett högt tillstånd, motsvarande en binär (De första och andra nivåerna kan naturligtvis sammanfalla). Således kan den binära sekvensen ”010” symboliseras av en spänningspuls Se som först är låg, sedan ökar till ett högt tillstånd och till sist återgår till ett lågt tillstånd.For example, voltage lower than a first level may represent a low state, corresponding to a binary, and voltage higher than a second level may represent a high state, corresponding to a binary (The first and second levels may, of course, coincide). Thus, the binary sequence “010” can be symbolized by a voltage pulse Se which is first low, then increases to a high state and finally returns to a low state.
Figur 5a visar en graf över en sådan spänningspuls S; efter förstärkning i den första drivkretsen 423a. Denna första förstärkta elektriska signal, d.v.s. spänningspulsen S'e, har en amplitud mellan ett lågt tillstånd och ett högt tillstånd av storleksordningen Av/3. 10 15 20 25 30 35 523 350 12 Den första förstärkta signalen S'e matas till den optiska fibern 421, där ljusfälten och de elektriska fälten interagerar såsom beskrivits med hänvisning till figur 2 ovan, och en första modulerad optisk signal s'e produceras i vågledaren 421. Den konstanta optiska signalen CWe och den första förstärkta elektriska signalen S'e antas interagera över en längd L av vågledaren 421. På änden av denna modulatorsektion är ett första termineringsmotstånd 422a anslutet. Såsom tidigare nämnts kommer den första modulerade optiska signalen s'e att vara lätt fördröjd relativt den första elektriska signalen Se till en grad ö som beror av längden L.Figure 5a shows a graph of such a voltage pulse S; after amplification in the first drive circuit 423a. This first amplified electrical signal, i.e. the voltage pulse S'e, has an amplitude between a low state and a high state of the order of Av / 3. The first amplified signal S'e is supplied to the optical fiber 421, where the light fields and the electric fields interact as described with reference to Fig. 2 above, and a first modulated optical signal s'e is produced in the waveguide 421. The constant optical signal CWe and the first amplified electrical signal S'e are assumed to interact over a length L of the waveguide 421. At the end of this modulator section, a first termination resistor 422a is connected. As previously mentioned, the first modulated optical signal s'e will be slightly delayed relative to the first electrical signal Se to a degree ö which depends on the length L.
Ett första fördröjningselement 424a i den elektriska transmissionsledningen 424 fördröjer den första elektriska signalen Se till en sådan grad att en första fördröjd signal Sem, efter att ha passerat genom en andra drivkrets 423b, överensstämmer i fas med den första modulerade optiska signalen s'e. Analogt med att fördröjningen 8 beror av den första modulatorsektionens längd L korresponderar det första fördröjningselementet 424a typiskt mot en specifik längd på den elektriska transmissionsledningen 424. Den andra drivkretsen 423b tar emot den första fördröjda signalen Sef" och producerar som svar på denna en andra förstärkt elektrisk signal Se", vilken matas till denkontinuerliga optiska vågledaren 421. Den andra förstärkta elektriska signalen Se" leds in i vågledaren 421 på så sätt att den överensstämmer i fas med den första modulerade optiska signalen s'e. Analogt med den första modulatorsektionen är ett andra termineringsmotstånd 422b anslutet till den optiska vågledaren 421 vid sektionens ände.A first delay element 424a in the electrical transmission line 424 delays the first electrical signal Se to such an extent that a first delayed signal Sem, after passing through a second drive circuit 423b, corresponds in phase with the first modulated optical signal s'e. Analogous to the fact that the delay 8 depends on the length L of the first modulator section, the first delay element 424a typically corresponds to a specific length of the electrical transmission line 424. The second drive circuit 423b receives the first delayed signal Sef "and in response produces a second amplified electrical signal Se ", which is fed to the continuous optical waveguide 421. The second amplified electrical signal Se" is conducted into the waveguide 421 so as to conform in phase with the first modulated optical signal s'e. Analogous to the first modulator section is a second termination resistor 422b connected to the optical waveguide 421 at the end of the section.
Ljusfältet för en samverkan mellan den konstanta optiska signalen CWe och den första modulerade optiska signalen s'e interagerar med det elektriska fältet för den andra förstärkta elektriska signalen Se". Som ett resultat av detta produceras en andra modulerad optisk signal s"e i vågledaren 421.The light field for an interaction between the constant optical signal CWe and the first modulated optical signal s'e interacts with the electric field of the second amplified electric signal Se ". As a result, a second modulated optical signal s" e is produced in the waveguide 421.
Analogt med det första fördröjningselementet 424a fördröjer ett andra fördröjningselement 424b i den elektriska transmissions- 10 15 20 25 30 35 523 zsqï,üE,,3 u" 13 ledningen 424 den första elektriska signalen Se ytterligare och till en sådan grad att en andra fördröjd signal Sedz, efter att ha passerat genom en tredje drivkrets 423c, överensstämmer i fas med den andra modulerade optiska signalen s"°. Den tredje drivkretsen 423c tar emot den andra fördröjda signalen Se” och producerar som svar en tredje förstärkt elektrisk signal Sem, vilken matas till den kontinuerliga optiska vågledaren 421.Analogous to the first delay element 424a, a second delay element 424b in the electrical transmission line 523 zsqï, üE ,, 3 u "13 line 424 delays the first electrical signal. See further and to such an extent that a second delayed signal Sedz, after passing through a third drive circuit 423c, is in phase with the second modulated optical signal s "°. The third drive circuit 423c receives the second delayed signal Se 'and in response produces a third amplified electrical signal Sem, which is supplied to the continuous optical waveguide 421.
Den tredje förstärkta elektriska signalen Se” leds in i vågledaren 421 på så sätt att den överensstämmer i fas med den andra modulerade optiska signalen s"° (liksom den första modulerade optiska signalen s'°). Återigen interagerar ett ljusfält som är en samverkan mellan den optiska signalen med konstant intensitet CWO, den första modulerade optiska signalen s',, och den andra modulerade optiska signalen s"° med den tredje förstärkta elektriska signalens S'"e elektriska fält, och en tredje modulerad optisk signal s"'° genereras i vågledaren 421.The third amplified electrical signal Se 'is conducted into the waveguide 421 in such a way that it corresponds in phase with the second modulated optical signal s "° (as well as the first modulated optical signal s' °). Again, a light field which is an interaction between the constant intensity optical signal CWO, the first modulated optical signal s '' and the second modulated optical signal s "° with the third field of the amplified electric signal S '", and a third modulated optical signal s "' ° are generated in the waveguide 421.
Analogt med de första och andra modulatorsektionerna är även ett tredje termineringsmotstånd 4220 anslutet till den optiska vågledaren 421 vid den tredje sektionens ände.Analogously to the first and second modulator sections, a third termination resistor 4220 is also connected to the optical waveguide 421 at the end of the third section.
Dessutom terminerar ett termineringsmotstånd 425, anslutet till den elektriska transmissionsledningens 424 motsatta ände 424c gentemot var den första elektriska signalen Se matas in, all kvarvarande energi Se” i den första elektriska signalen Se. På detta sätt undviks oönskade stående vågor i transmissions- ledningen 424. l princip kan de ovan beskrivna fördröjande, förstärkande, modulerande och samverkande stegen repeteras ett godtyckligt antal gånger. Dock kan på grund av exempelvis förluster i den elektriska transmissionsledningen 424 tre eller fyra modulatorsektioner antas vara effektivast, åtminstone vad avser drivkretsar baserade på bipolära transistorer. Den här exemplifierade modulatorstrukturen inkluderar endast tre modulatorsektioner, vilket således innebär att en resulterande optisk signal So som matas ut från den optoelektriska sändaren är en samverkan mellan den första sy, den andra s",, och den 10 15 20 25 30 35 (rt h.) (N (N cm CD o u... 14 tredje s"'° modulerade optiska signalen.In addition, a termination resistor 425, connected to the opposite end 424c of the electrical transmission line 424 to where the first electrical signal Se is input, terminates all remaining energy Se ”in the first electrical signal Se. In this way, unwanted standing waves in the transmission line 424 are avoided. In principle, the delaying, amplifying, modulating and cooperating steps described above can be repeated an arbitrary number of times. However, due to, for example, losses in the electrical transmission line 424, three or four modulator sections can be assumed to be efficient, at least with respect to drive circuits based on bipolar transistors. The modulator structure exemplified here includes only three modulator sections, thus meaning that a resulting optical signal So output from the optoelectric transmitter is an interaction between the first sy, the second s .) (N (N cm CD o u ... 14 third s "'° modulated optical signal.
Alla relationer mellan längderna på modulatorsektionerna 421a, 421b och 421c är dessutom tänkbara. Dock är för de flesta implementationer samma längd L för de respektive sektionerna 421a - 421c optimalt. Detta antagande har gjorts i detta exempel, på så sätt att den totala aktiva längden på den kontinuerliga vågledaren 421 är 3L.In addition, any relationship between the lengths of the modulator sections 421a, 421b and 421c is conceivable. However, for most implementations, the same length L for the respective sections 421a - 421c is optimal. This assumption has been made in this example, in such a way that the total active length of the continuous waveguide 421 is 3L.
För att ytterligare belysa arbetsprincipen och fördelarna med den optoelektriska sändaren enligt figur 4 visar figurerna 5a och 5b grafer representerande förhållanden mellan tid och amplitud för de involverade signalerna. Eftersom den resulterande optiska signalen S., är en samverkan mellan de modulerade optiska signalerna s'°, s",, och sm., för ett givet ER, t.ex. P1 - P0, behöver varje modulatorsektion 421a - 421c endast ta emot en insignalspuls med en amplitud mellan sitt låga och sitt höga tillstånd av storleksordningen Av/3. Figur 5a visar den första förstärkta elektriska signalpulsen S; som en obruten linje, den andra förstärkta elektriska signalpulsen 8"., som en prickad linje och den tredje förstärkta elektriska signalpulsen Swe som en streckad linje. Pulserna är något förskjutna i tid beroende pà de fördröjningar som förorsakas av fördröjningselementen 424a respektive 424b: Figur- 5b visar motsvarande optiska pulser som produceras av modulatorsektionerna 421a - 421c och som propagerar genom vågledaren 421. På grund av fördröjningarna i modulatorsektionerna 421a - 421c är även dessa pulser förskjutna i tid. En obruten linje representerar här den första modulerade optiska signalen s'°, vars ER uppskattningsvis är (P, - P0)/3 (i dB). På samma sätt representerar en prickad linje summan av den första modulerade optiska signalen s'° och den andra modulerade optiska signalen s"°, vars ER uppskattningsvis är 2(P1 - P0)/3 (i dB), och slutligen representerar en streckad linje den resulterande optiska signalen S., (d.v.s. summan av den första s'°, den andra s"° och den tredje sm., modulerade optiska signalen), vars ER är P1 - P0 10 15 20 25 30 (II h.) CN CN (Ti CD 15 (i dB).To further illustrate the working principle and advantages of the optoelectric transmitter of Figure 4, Figures 5a and 5b show graphs representing the relationship between time and amplitude of the signals involved. Since the resulting optical signal S., is an interaction between the modulated optical signals s' °, s ",, and sm., For a given ER, eg P1 - P0, each modulator section 421a - 421c need only receive an input signal pulse with an amplitude between its low and high state of the order of Av / 3. Figure 5a shows the first amplified electrical signal pulse S; as a solid line, the second amplified electrical signal pulse 8 "., as a dotted line and the third amplified electrical signal pulse Swe as a dashed line. The pulses are slightly shifted in time due to the delays caused by the delay elements 424a and 424b, respectively: Figure 5b shows the corresponding optical pulses produced by the modulator sections 421a - 421c and propagating through the waveguide 421. Due to the delays in the modulator sections 421a - 421c, these pulses shifted in time. A solid line here represents the first modulated optical signal s' °, whose ER is estimated to be (P, - P0) / 3 (in dB). Similarly, a dotted line represents the sum of the first modulated optical signal s' ° and the second modulated optical signal s "°, whose ER is estimated to be 2 (P1 - P0) / 3 (in dB), and finally represents a dashed line. the resulting optical signal S., (ie the sum of the first s' °, the second s "° and the third sm., modulated optical signal), whose ER is P1 - P0 10 15 20 25 30 (II h.) CN CN (Ti CD 15 (i dB).
Man kan således dra slutsatsen att jämfört med en enkelsektions-TWEAM med ett visst ER kan varje drivkrets på en analog multisektionsmodulator ha en relativt låg signalspänningsamplitud för respektive modulatorsektion, typiskt hälften eller lägre, beroende på antal modulatorsektioner. Totalt ER blir fortfarande»tillräckligt högt eftersom den resulterande optiska signalen S., är en samverkan mellan de individuella optiska utsignalerna s',,, s",, och s'”° från modulatorsektionerna.It can thus be concluded that compared to a single section TWEAM with a certain ER, each drive circuit on an analog multi-section modulator may have a relatively low signal voltage amplitude for each modulator section, typically half or lower, depending on the number of modulator sections. Total ER still becomes high enough because the resulting optical signal S., is an interaction between the individual optical outputs s ',,, s ",, and s'" ° from the modulator sections.
Företrädesvis realiseras den föreslagna optoelektriska sändaren genom att två separata chip hybridmonteras och kopplas elektriskt så att alla parasiterande influenser minimeras. Ett första integrerat halvledarchip kan innehålla den elektriska transmissionsledningen och drivkretsarna, medan ett andra integrerat halvledarchip kan innehålla den optiska signalkällan och den kontinuerliga optiska vågledaren.Preferably, the proposed optoelectric transmitter is realized by hybrid mounting and separating two separate chips electrically so that all parasitic influences are minimized. A first integrated semiconductor chip may contain the electrical transmission line and the driving circuits, while a second integrated semiconductor chip may contain the optical signal source and the continuous optical waveguide.
Ett chip av det senare slaget kan, i TWEAM-fallet, direkt baseras på en enkelsektions-TWEAM-konstruktion med integrerade termineringsmotstånd. Dock bör metallelektroden på mesans topp avbrytas för en kort distans (i storleksordningen 10 um) för att åstadkomma en resistans mellan närliggande modulatorsektioner vilken är väsentligen större än terminerings- motståndet för varje sektion. På detta sätt undviks risken att vågor propagerar bakåt längs med modulatorn. Dock kan det epitaxiella lagret fortsätta längs med hela TWEAM- modulatorstrukturens längd. Behandlingen av ett multisektions- TWEAM-chip blir således identiskt med behandlingen av ett enkelsektions-TWEAM-chip. Det är fördelaktigt om signal- och jordkontakter för de båda chipen monteras kant till kant med en minimal distans, så att bondningsparasiter reduceras.A chip of the latter type can, in the case of TWEAM, be directly based on a single-section TWEAM design with integrated termination resistors. However, the metal electrode on the top of the mesa should be interrupted for a short distance (on the order of 10 μm) to provide a resistance between adjacent modulator sections which is substantially greater than the termination resistance of each section. In this way, the risk of waves propagating backwards along the modulator is avoided. However, the epitaxial layer can continue along the entire length of the TWEAM modulator structure. The processing of a multi-section TWEAM chip thus becomes identical to the processing of a single section TWEAM chip. It is advantageous if signal and ground contacts for the two chips are mounted edge to edge with a minimal distance, so that bonding parasites are reduced.
Enligt en alternativ utföringsform av uppfinningen integreras enheter på ett enda halvledarchip.According to an alternative embodiment of the invention, units are integrated on a single semiconductor chip.
Nedan följer relevanta numeriska jämförande exempel med 10 15 20 523 350 10 hänvisning till TWEAM-tekniken för att demonstrera den föreslagna modulatorstrukturens användbarhet. Bit-hastighet har valts till 10 Gb/s, 25 Gbls, 40 Gbls, 50 Gb/s, 100 Gb/s respektive 160 Gb/s. Indikerad bandbredd relaterar till en modulatorsektion av längden 1.0 mm, 0.6 mm, 0.4 mm, 0.3 mm, 0.15 mm respektive 0.08 mm. Bandbredderna är anpassade (med viss marginal) till motsvarande bit-hastighet. De indikerade spänningarna motsvarar en obalanserad spänningsamplitud över utsignalen från en drivkrets. Värdena för enkelsektions- modulatorerna har endast uppmätts för längderna 0.25 mm, 0.45 mm och 0.95 mm, övriga värden har extrapolerats fram. ER- värdena har antagits vara 3 dB eller bättre för datakommunikation (Ethernet) vid 10 Gb/s och 4><25 = 2><50 = 100 Gb/s, och 10 dB för telekommunikation vid 10 Gb/s, 40 Gb/s och 160 Gb/s. ^ Bit-hast Modulatorstruktur Längd BW ER 3dB ER 10dB (Gb/s) (#sektioner) (mm) (GHz) (mV) (mV) Enkel 1.0 13 70 240 10 Multipel f- * --- --- Enkel 0,3 32 100 340 25 Multipel 2 >< 0.3 32 so 110 Enkel 0.4 49 150 510 40 Multipel 3 >< 0.4 49 so , 110 i Enkel 0.3 se 210 700 50 Multipel 3 k 0.3 se 10 230 Enkel 0.15 110 430 1400 100 Multipel 3 >< 0.15 110 140 430 Enkel 0.03 210 730 2300 160 Multipel 3 >< 0.03 210 230 360 Multipel 4 >< 0.03 210 200 350 *) Ingen väsentlig vinst Naturligtvis kräver multisektionsmodulatorer speciellt konstruerade drivkretsar med samma antal utgångar som det finns modulatorsektioner. Detta kan till viss grad komplicera lösningen. Dock är det utan tvekan värt besväret, då för varje given hastighet ER förbättras med minst en faktor två (se tabellen ovan). Det bör även noteras att det är föredraget att 10 15 20 25 30 35 (Ii “i çsll LN (Il CD 17 tillverka anslutningarna mellan drivkretsarnas utgångar och modulatorsektionerna med mycket låga serieinduktanser för höga hastigheter. Detta är särskilt viktigt om de individuella modulatorsektionerna har relativt låga impedanser, exempelvis 20 - 30 ohm. Eftersom drivkretsarna matas via en elektrisk transmissionsledning med fördröjningar som matchar respektive fördröjningar längs modulatorn kan förlustproblem uppstå vid höga hastigheter riärtransistorer med ett ledande substrat, såsom kisel, används.The following are relevant numerical comparative examples with reference to the TWEAM technique to demonstrate the usefulness of the proposed modulator structure. Bit rate has been selected to 10 Gb / s, 25 Gbls, 40 Gbls, 50 Gb / s, 100 Gb / s and 160 Gb / s, respectively. Indicated bandwidth relates to a modulator section of length 1.0 mm, 0.6 mm, 0.4 mm, 0.3 mm, 0.15 mm and 0.08 mm, respectively. The bandwidths are adapted (by a certain margin) to the corresponding bit rate. The indicated voltages correspond to an unbalanced voltage amplitude across the output signal from a drive circuit. The values for the single-section modulators have only been measured for the lengths 0.25 mm, 0.45 mm and 0.95 mm, other values have been extrapolated forward. The ER values have been assumed to be 3 dB or better for data communication (Ethernet) at 10 Gb / s and 4> <25 = 2> <50 = 100 Gb / s, and 10 dB for telecommunication at 10 Gb / s, 40 Gb / s s and 160 Gb / s. ^ Bit rate Modulator structure Length BW ER 3dB ER 10dB (Gb / s) (#sections) (mm) (GHz) (mV) (mV) Simple 1.0 13 70 240 10 Multiple f- * --- --- Simple 0 , 3 32 100 340 25 Multiple 2> <0.3 32 so 110 Single 0.4 49 150 510 40 Multiple 3> <0.4 49 so, 110 i Single 0.3 see 210 700 50 Multiple 3 k 0.3 see 10 230 Simple 0.15 110 430 1400 100 Multiple 3> <0.15 110 140 430 Simple 0.03 210 730 2300 160 Multiple 3> <0.03 210 230 360 Multiple 4> <0.03 210 200 350 *) No significant gain Of course, multi-section modulators require specially designed drive circuits with the same number of outputs as there are modulator sections. This can to some extent complicate the solution. However, it is undoubtedly worthwhile, as for any given speed ER is improved by at least one factor two (see table above). It should also be noted that it is preferable to make the connections between the outputs of the drive circuits and the modulator sections with very low series inductances for high speeds. This is especially important if the individual modulator sections have relatively low impedances, for example 20 - 30 ohms Since the drive circuits are fed via an electrical transmission line with delays that match the respective delays along the modulator, loss problems can arise at high speeds of transistors with a conductive substrate, such as silicon.
Som summering kommer den allmänna metoden enligt uppfinningen nu att beskrivas med hänvisning till flödesschemat i figur 6.In summary, the general method of the invention will now be described with reference to the flow chart of Figure 6.
Två parallella steg 601 och 602 tar emot en första elektrisk signal Se respektive en optisk signal med konstant intensitet CWO. Ett steg 603 som följer steget 601 förstärker den första elektriska signalen Se till en första förstärkt signal S'e. Ett steg 604 modulerar den konstanta optiska signalen CWO som tas emot i steget 602 med den första förstärkta elektriska signalen S; och producerar därmed en första modulerad optisk signal s',,.Two parallel stages 601 and 602 receive a first electrical signal Se respectively an optical signal with constant intensity CWO. A step 603 following the step 601 amplifies the first electrical signal Se to a first amplified signal S'e. A step 604 modulates the constant optical signal CWO received in the step 602 with the first amplified electrical signal S; and thereby produces a first modulated optical signal s' ,,.
Ett efterföljande steg 605 producerar en första fördröjd elektrisk signal SJ" genom fördröjning av den första elektriska signalen Se på så sättatt en förstärkt version av den första fördröjda elektriska signalen SQ" överensstämmer i fas med den första modulerade optiska signalen s”o. Efter detta effektuerar ett steg 606 förstärkningen av den första fördröjda elektriska signalen Se” till en andra förstärkt signal S"e. Ett följande steg 607 modulerar sedan en signal som är en samverkan mellan den konstanta optiska signalen CWO och den första modulerade optiska signalen s'° med den andra förstärkta signalen S", På detta sätt produceras en andra modulerad optisk signal s"° (analogt med steget 604 ovan).A subsequent step 605 produces a first delayed electrical signal SJ "by delaying the first electrical signal. Se thus, an amplified version of the first delayed electrical signal SQ" corresponds in phase with the first modulated optical signal s "o. After this, a step 606 effects the amplification of the first delayed electrical signal Se "to a second amplified signal S" e. A subsequent step 607 then modulates a signal which is an interaction between the constant optical signal CWO and the first modulated optical signal s'. ° with the second amplified signal S ". In this way, a second modulated optical signal s" ° is produced (analogous to step 604 above).
Ett efterföljande steg 608 kontrollerar om ytterligare moduleringssteg bör appliceras, och returnerar i så fall proceduren direkt till stegen 601 och 602. l annat fall fortsätter proceduren till ett steg 609 där den första modulerade optiska 10 15 20 U'1 PO O~l Lnl (Il C21 o nu 18 signalen s',, och den andra modulerade optiska signalen s"° samverkar till en resulterande optisk signal So för utmatning. Om proceduren går igenom stegen 601 - 607 en eller flera ytterligare gånger inkluderas minst en tredje modulerad optisk signal s”'° i den resulterande optiska signalen S0. Såsom tidigare nämnts kan ett godtyckligt antal n sådana loopar göras i enlighet med uppfinningen. Även om flödesschemat i figur 6 refererar till en sekventiell följd av steg utförs i praktiken alla stegen samtidigt, men för olika oerhört små signalenheter. Den beskrivna sekventiella proceduren är således sann endast för varje sådan signalenhet.A subsequent step 608 checks whether additional modulation steps should be applied, in which case returns the procedure directly to steps 601 and 602. Otherwise, the procedure proceeds to a step 609 where the first modulated optical 10 U '1 PO O ~ l Lnl ( The signal s1 'and the second modulated optical signal s "° cooperate to form a resulting optical signal So for output. If the procedure goes through steps 601 - 607 one or more additional times, at least one third modulated optical signal s is included. '' ° in the resulting optical signal S0. As previously mentioned, any number of such loops can be made in accordance with the invention. Although the flow chart in Figure 6 refers to a sequential sequence of steps, in practice all the steps are performed simultaneously, but for different increments. The described sequential procedure is thus true only for each such signal unit.
Begreppet innefattar/innefattande specificerar när det används i denna beskrivning närvaro av angivna särdrag, heltal, steg eller komponenter. Dock utesluter inte denna term närvaro eller addition av ett eller flera ytterligare särdrag, heltal, steg eller komponenter eller grupper av dessa.The term includes / includes specifies when used in this specification the presence of specified features, integers, steps or components. However, this term does not exclude the presence or addition of one or more additional features, integers, steps or components or groups thereof.
Uppfinningen är inte begränsad till de i figurerna beskrivna utföringsformerna, utan kan fritt varieras inom ramen för patentkraven.The invention is not limited to the embodiments described in the figures, but can be freely varied within the scope of the claims.
Claims (17)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SE0102646A SE523350C2 (en) | 2001-08-01 | 2001-08-01 | Modulator transmitter for fiber optic communication at high speeds |
| PCT/SE2002/001248 WO2003013031A1 (en) | 2001-08-01 | 2002-06-25 | Modulator transmitter for high-speed fiberoptic communications |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SE0102646A SE523350C2 (en) | 2001-08-01 | 2001-08-01 | Modulator transmitter for fiber optic communication at high speeds |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| SE0102646D0 SE0102646D0 (en) | 2001-08-01 |
| SE0102646L SE0102646L (en) | 2003-02-02 |
| SE523350C2 true SE523350C2 (en) | 2004-04-13 |
Family
ID=20284970
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SE0102646A SE523350C2 (en) | 2001-08-01 | 2001-08-01 | Modulator transmitter for fiber optic communication at high speeds |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| SE (1) | SE523350C2 (en) |
| WO (1) | WO2003013031A1 (en) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2855883B1 (en) * | 2003-06-03 | 2005-08-26 | Cit Alcatel | INTEGRATED OPTOELECTRONIC DEVICE COMPRISING AN ELECTRO-ABSORPTION MODULATOR AND AN ELECTRONIC CONTROL ELEMENT OF THE MODULATOR |
| US7039258B2 (en) * | 2003-08-15 | 2006-05-02 | Luxtera, Inc. | Distributed amplifier optical modulators |
| JP5729303B2 (en) * | 2009-10-09 | 2015-06-03 | 日本電気株式会社 | Optical modulator module and optical signal modulation method |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5394260A (en) * | 1992-02-03 | 1995-02-28 | Kokusai Denshin Denwa Kabushiki Kaisha | Optical pulse generator |
| JPH09181682A (en) * | 1995-12-26 | 1997-07-11 | Fujitsu Ltd | Driving circuit for light modulator, and light transmitter |
| JP3736953B2 (en) * | 1997-10-20 | 2006-01-18 | 富士通株式会社 | Electroabsorption optical modulator drive circuit and optical transmitter using the same |
| JP3810570B2 (en) * | 1998-12-24 | 2006-08-16 | アンリツ株式会社 | Optical pulse generation method and apparatus |
| WO2000073847A2 (en) * | 1999-05-27 | 2000-12-07 | Siemens Aktiengesellschaft | Method and system for generating return-to-zero signals |
| EP1130708B1 (en) * | 2000-03-02 | 2008-07-16 | OpNext Japan, Inc. | Semiconductor electro-absorption optical modulator integrated light emitting element and module, and optical transmission system |
-
2001
- 2001-08-01 SE SE0102646A patent/SE523350C2/en not_active IP Right Cessation
-
2002
- 2002-06-25 WO PCT/SE2002/001248 patent/WO2003013031A1/en not_active Application Discontinuation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2003013031A1 (en) | 2003-02-13 |
| SE0102646D0 (en) | 2001-08-01 |
| SE0102646L (en) | 2003-02-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Cignoli et al. | 22.9 A 1310nm 3D-integrated silicon photonics Mach-Zehnder-based transmitter with 275mW multistage CMOS driver achieving 6dB extinction ratio at 25Gb/s | |
| Hartman | Digital high speed interconnects: a study of the optical alternative | |
| US7286726B1 (en) | Integrated active electrical waveguide for optical waveguide modulators | |
| Qi et al. | Co-design and demonstration of a 25-Gb/s silicon-photonic Mach–Zehnder modulator with a CMOS-based high-swing driver | |
| US20170063460A1 (en) | Optically assisted electrical filtering and processing | |
| JP2020043251A (en) | Semiconductor device | |
| Otsuji et al. | 40-Gb/s ICs for future lightwave communications systems | |
| US8179593B2 (en) | Optical-switch drive circuit and method thereof | |
| Suzuki et al. | Very-high-speed InP/InGaAs HBT ICs for optical transmission systems | |
| Nakagawa et al. | 1.5 mW/Gbps low power optical interconnect transmitter exploiting high-efficiency VCSEL and CMOS driver | |
| SE523350C2 (en) | Modulator transmitter for fiber optic communication at high speeds | |
| Ichino et al. | Over-10-Gb/s IC's for future lightwave communications | |
| CN108923248B (en) | Structure of sinking type direct modulation laser and driver and application thereof | |
| Meghelli et al. | High power and high speed InP DHBT driver IC's for laser modulation | |
| Otsuji et al. | 40-Gbit/s ICs for future lightwave communications systems | |
| Tarusawa et al. | A new constant-resistance ASK modulator using double-sided MIC | |
| Chang et al. | A Sub-500fJ/bit 3D direct bond silicon photonic transceiver in 12nm FinFET | |
| CN114063321B (en) | Silicon photon push-pull microphone Jeda modulator with double differential electrodes | |
| Mino et al. | High-speed optoelectronic hybrid-integrated transmitter module using a planar lightwave circuit (PLC) platform | |
| Barabas | Differential pulse regenerator driven by 1 Gbit/s PCM-type signals from an avalanche photodiode | |
| Prades et al. | 0.3–42.5 GHz wideband common emitter amplifier driver unit in 55 nm SiGe BiCMOS for 60 Gb/s silicon photonic Mach-Zehnder modulator | |
| Baeyens et al. | Compact high-gain lumped differential 40 Gb/s driver amplifiers in production 0.15/spl mu/m PHEMT technology | |
| Nosal | Integrated circuits for high speed optoelectronics | |
| Langmann et al. | Injection laser modulation at 2 Gbit/s by monolithic silicon multiplexer | |
| Birk et al. | 10-Gbit/s RZ pulses using an all-silicon nonlinear transmission line integrated circuit |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| NUG | Patent has lapsed |