TW201838362A - 光通訊發射器 - Google Patents

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李忠益
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Abstract

一種光通訊發射器，其包括調變電路以及垂直共振腔面射型雷射（vertical cavity surface emitting laser，VCSEL）發射模組。調變電路用以對輸入資料進行四階脈波振幅調變（four-level pulse amplitude modulation，PAM4），藉以產生一調變信號。VCSEL發射模組耦接調變電路，並採用注入鎖定手段依據調變信號產生並發射輸出光波。

Description

光通訊發射器
本發明是關於一種光通訊技術，特別是關於一種具有良好頻率響應特性及位元錯誤率的光發射器。
光通訊（optical communication）是指一種利用光與光纖（optical fiber）傳遞資訊的一種方式，而光通訊具有傳輸容量大、保密性好等許多優點。在光通訊系統中，需傳送的資訊會由傳送端輸入到發射器中，將資訊疊加或調變到作為資訊訊號載體的光載波上，隨之將已調變的光載波通過傳輸媒質傳送到遠處的接收端，再由接收器解調出原來的資訊。
隨著光通訊發展逐漸成熟，因對於光通訊系統的資料傳輸率與頻寬要求逐漸提高，現有的學者與廠商無不致力於研究可同時符合資料傳輸率與頻寬需求的資料傳輸格式。
本發明提供一種光通訊發射器，其可同時具備高資料傳輸率與高效頻寬特性。
本發明的光通訊發射器包括調變電路以及垂直共振腔面射型雷射（vertical cavity surface emitting laser，VCSEL）發射模組；調變電路用以對輸入資料進行四階脈波振幅調變（four-level pulse amplitude modulation，PAM4），藉以產生一調變信號；VCSEL發射模組耦接調變電路，並採用注入鎖定手段而依據調變信號產生並發射輸出光波。
基於上述，本發明實施例提出一種光通訊發射器，其可透過應用PAM4調變搭配注入鎖定手段與光電回授技術進而獲得具有較佳頻率響應特性與位元錯誤率的發射光波作為傳輸信號，使應用本實施例的光通訊發射器之光通訊系統可以具有較佳的資料傳輸率。
為使本發明的上述特徵和優點更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
為了使本揭露之內容更容易明瞭，以下特舉實施例做為本揭露能夠確實據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟，係代表相同或類似部件。
圖1為本發明一實施例的光通訊發射器的架構示意圖。請參照圖1，本實施例的光通訊發射器100係用以接收輸入資料D_IN（可例如：經編碼後的資料），並且對輸入資料D_IN進行調變，再依據調變後的輸入資料D_IN產生輸出光波信號LS發射到環境中。換言之，輸入資料D_IN可經調變後，以光波為載波，並將調變後的輸入資料D_IN搭載於光載波上以形成輸出光波信號LS。
在具體應用中，所述光通訊發射器100可與對應的光接收器（未繪示）組成一光通訊系統，所述光接收器可用以接收從環境搜集到的光波，並且將其中的輸出光波信號LS轉換為電信號，再對電信號進行放大與等化等信號處理後，對處理後的電信號進行解調變，藉以產生與輸入資料D_IN對應的輸出資料。
在本實施例中，光通訊發射器100及應用其之光通訊系統可應用於室內多點定位、訊息推播、遠端感測應用服務及水下通訊應用等。較佳地，本實施例的光通訊發射器100應用於有線光通訊/光纖通訊的訊號傳輸中，但本發明不以此為限。
具體而言，所述光通訊發射器100包括調變電路110以及垂直共振腔面射型雷射（vertical cavity surface emitting laser，VCSEL）發射模組120。調變電路110用以對輸入資料D_IN進行四階脈波振幅調變（four-level pulse amplitude modulation，PAM4），藉以產生調變信號Spam4。
VCSEL發射模組120耦接調變電路110，其會依據接收到的調變信號Spam4產生對應的輸出光波信號LS，亦即將電子信號轉換為光波的形式。在本實施例中，VCSEL發射模組120會採用注入鎖定（injection lock）手段而依據調變信號Spam4產生並發射輸出光波信號LS。更具體地說，在採用注入鎖定手段時，VCSEL發射模組120會基於調變信號產生一光波信號，所述光波信號會經回授轉換為電信號並且作為參考以產生另一光波信號。其中，所述兩光波信號會進行注入鎖定，藉以產生輸出光波信號LS。所述輸出光波信號LS會承載有調變信號Spam4的訊息，同時也會因注入鎖定的作用而具有鎖模的特性，使得信號波長被維持在特定波長上。
從發射器的運作角度而言，待傳送的資料經過編碼後會被加載到調變電路110上，以PAM4手段轉換成隨著信號變化的電流或電壓來驅動VCSEL發射模組120中的光源，即將電信號轉換為輸出光波信號LS，然後VCSEL發射模組120會透過光纖或透鏡等有線/無線光發射手段將輸出光波信號LS在通道中傳輸。另一方面，在接收端，光接收器會經由光纖或透鏡等光接收手段將傳輸過來的光束聚集在光偵測器上。其後，光偵測器會將接收到的光波信號轉換為電信號，然後由光接收器的信號處理模組進行信號處理，最後由解調變電路解調出原來的訊息。
在一範例實施例中，光通訊發射器100更包括多模光纖（multimode fiber）TF。所述多模光纖TF連接VCSEL發射模組120的輸出端，用以傳輸所述輸出光波信號LS。在實際應用中，多模光纖TF可例如為OM4光纖，所述OM4光纖的中心半徑例如為50±2.5μm，彎曲損耗例如為小於0.5dB（100圈，半徑75mm的曲度）。此外，多模光纖TF的傳輸長度可設置為0m至250m，其中較佳的是將多模光纖TF設置為209m以下，此時可量測到較佳的位元錯誤率（bit error rate，BER）特性。
實施例的調變電路110包括偽亂數二進位數列（pseudorandomness binary sequence，PRBS）產生器112以及PAM4轉換器114。PRBS產生器112是用以接收輸入資料D_IN，並且將輸入資料D_IN轉換為多個具有二進位資料串流（binary data stream）形式的非歸零信號（non-return-to-zero signal，NRZ signal），在此以非歸零信號Snrz1與Snrz2為例。PAM4轉換器114耦接該PRBS產生器112。PAM4轉換器114是用以採用PAM4調變手段將非歸零信號Snrz1與Snrz2轉換為具有PAM4格式的調變信號Spam4。
圖2為本發明一實施例的NRZ信號與PAM4信號的信號格式示意圖。請一併參照圖2，在非歸零信號Snrz1與Snrz2的信號格式中，每個脈衝只有兩個數據編碼級，即0與1。當兩非歸零信號Snrz1與Snrz2經過PAM4調變後，每個脈衝會具有四個數據編碼級，即00、01、10、11。換言之，非歸零信號Snrz1與Snrz2經PAM4轉換後會具有更高的訊息承載能力，亦即可具有更高的數據傳輸速率。
在實際應用中，PRBS產生器112所產生的非歸零信號Snrz1與Snrz2的傳輸速率例如為22.5Gb/s，而非歸零信號Snrz1與Snrz2經過PAM4轉換器進行轉換後所產生的調變信號Spam4，其傳輸速率可達45Gb/s，但本發明不以此為限。另外，在本實施例中，兩非歸零信號Snrz1與Snrz2可具有不同的信號振幅，例如分別為900mV與450mV，但本發明同樣不以此為限。
請再參照圖1，本實施例的VCSEL發射模組120包括兩VCSEL單元122與124、注入鎖定電路126以及光電回授電路128。VCSEL單元122耦接調變電路110的PAM4轉換器114，用以依據調變信號Spam4激發出具有波長WL1的光波信號SL1。VCSEL單元124用以激發出具有波長WL2的光波信號SL2。注入鎖定電路126耦接VCSEL單元122與124，其係用以將光波信號SL1與SL2耦合以產生具有鎖模特性的輸出光波信號SLi。光電回授電路128耦接VCSEL單元124與注入鎖定電路126。光電回授電路128可用以依據輸出光波信號LS產生回授電信號SEfb，並且將該回授電信號SEfb傳輸給VCSEL單元124。VCSEL單元124係依據回授電信號SEfb激發出光波信號SL2。
具體而言，透過應用注入鎖定手段與光電回授技術來產生輸出光波信號，可以使得本實施例的光通訊發射器100所產生的輸出光波信號LS具有較佳的頻率響應特性。根據實驗數據的驗證，搭配使用VCSEL且應用注入鎖定手段與光電回授技術的VCSEL發射模組120，其輸出光波信號LS的3dB頻寬可達到21.5GHz。相較於一般的VCSEL而言，本實施例的VCSEL發射模組120的頻率響應特性優於傳統的VCSEL約2.9倍左右。
更具體的說，在VCSEL發射模組120中，VCSEL單元122可被視為主雷射，並且VCSEL單元124可被視為從屬雷射。主雷射與從屬雷射之間所發射的信號會有微量的波長偏移（例如為0.03nm），使得主雷射與從屬雷射被耦合在一起時，會發生注入鎖定的現象，進而令輸出的輸出光波信號LS具有鎖模特性。其中，較佳的注入鎖定作用發生在主雷射頻率略低於從屬雷射頻率的情況。在本實施例中，VCSEL單元122與124可設計為具有相同的光學特性。
在實際應用中，VCSEL單元122的波長WL1例如位於851.84nm至852.12nm之間，並且VCSEL單元124的波長WL2例如位於851.81至852.09之間，但本發明不以此為限。
圖3為本發明一實施例的注入鎖定電路的架構示意圖。請參照圖3，注入鎖定電路126包括光循環器（optical circulator）OC以及光分流器（optical splitter）OS。光循環器OC耦接VCSEL單元122與VCSEL單元124。光循環器OC用以引導光波信號SL1與SL2的光傳輸方向，藉以提供注入路徑以耦合光波信號SL1與SL2，並且據以產生鎖模光波信號SLi。在本實施例中，光循環器126的工作波長可例如為850nm，但本發明不以此為限。
光分流器OS可例如為一1x2的光分流器，其具有輸入端IN以及輸出端OT1與OT2。光分流器OS的輸入端IN耦接光循環器OC的輸出端，藉以接收鎖模光波信號SLi。光分流器OS會將接收到的鎖模光波信號SLi分流為輸出光波信號LS以及回授光波信號SLfb。輸出光波信號LS會通過輸出端OT1被輸出，並且被提供至多模光纖TF。回授光波信號SLfb會通過輸出端OT2被輸出，並且被提供至光電回授電路128。
圖4為本發明一實施例的光電回授電路的架構示意圖。請同時參照圖1、圖3及圖4，本實施例的光電回授電路128包括光偵測器PD以及轉阻放大器TIA。光偵測器PD耦接光分流器OS的輸出端OT2以接收回授光波信號SLfb，其中光偵測器PD會將回授光波信號SLfb轉換為電信號SE。轉阻放大器TIA耦接光偵測器PD，其係用以將電流形式的電信號SE轉換為電壓形式的回授電信號SEfb，並且將回授電信號SEfb傳輸給VCSEL單元124作為產生光波信號SL2的基礎。
綜上所述，本發明實施例提出一種光通訊發射器，其可透過應用PAM4調變搭配注入鎖定手段與光電回授技術進而獲得具有較佳頻率響應特性與位元錯誤率的發射光波作為傳輸信號，使應用本實施例的光通訊發射器的光通訊系統可以具有較佳的資料傳輸率。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧光通訊發射器
110‧‧‧調變電路
112‧‧‧偽亂數二進位數列產生器
114‧‧‧四階脈波振幅調變轉換器
120‧‧‧垂直共振腔面型雷射發射模組
122、124‧‧‧垂直共振腔面型雷射發射單元
126‧‧‧注入鎖定電路
128‧‧‧光電回授電路
D_IN‧‧‧輸入資料
PD‧‧‧光偵測器
LS‧‧‧輸出光波信號
OC‧‧‧光循環器
OS‧‧‧光分流器
IN‧‧‧光分流器的輸入端
OT1、OT2‧‧‧光分流器的輸出端
Spam4‧‧‧調變信號
Snrz1、Snrz2‧‧‧非歸零信號
SE‧‧‧電信號
SEfb‧‧‧回授電信號
SL1、SL2‧‧‧光波信號
SLi‧‧‧鎖模光波信號
SLfb‧‧‧回授光波信號
TF‧‧‧多模光纖
TIA‧‧‧轉阻放大器
WL1、WL2‧‧‧波長
圖1為本發明一實施例的光通訊發射器的架構示意圖。 圖2 為本發明一實施例的NRZ信號與PAM4信號的信號格式示意圖。 圖3為本發明一實施例的注入鎖定電路的架構示意圖。 圖4為本發明一實施例的光電回授電路的架構示意圖。

Claims (12)

  1. 一種光通訊發射器，包括： 一調變電路，以對一輸入資料進行四階脈波振幅調變（four-level pulse amplitude modulation，PAM4），藉以產生一調變信號；以及 一垂直共振腔面射型雷射（vertical cavity surface emitting laser）發射模組，耦接該調變電路，以採一注入鎖定手段而依據該調變信號產生並發射一輸出光波信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光通訊發射器，其中該調變電路包括： 一偽亂數二進位數列（pseudorandomness binary sequence，PRBS）產生器，用以接收該輸入資料，並且將該輸入資料轉換為多個具有二進位資料串流（binary data stream）形式的非歸零信號（non-return-to-zero signal，NRZ signal）；以及 一四階脈波振幅調變轉換器，耦接該偽亂數二進位數列產生器，用以採用四階脈波振幅調變將該些非歸零信號轉換為該調變信號。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的光通訊發射器，其中該些非歸零信號的傳輸速率為22.5Gb/s，並且該調變信號的傳輸速率為45Gb/s。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的光通訊發射器，其中該些非歸零信號其中之一的振幅為900毫伏特（mV），並且該些非歸零信號其中之另一的振幅為450毫伏特。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的光通訊發射器，其中該垂直共振腔面射型雷射發射模組包括： 一第一垂直共振腔面射型雷射單元，耦接該調變電路，用以依據該調變信號激發出具有一第一波長的一第一光波信號； 一第二垂直共振腔面射型雷射單元，用以激發出具有一第二波長的一第二光波信號；以及 一注入鎖定電路，耦接該第一垂直共振腔面射型雷射單元與該第二垂直共振腔面射型雷射單元，用以將該第一光波信號與該第一光波信號耦合以產生具有鎖模特性的該輸出光波信號；以及 一光電回授電路，耦接該第二垂直共振腔面射型雷射單元與該注入鎖定電路，用以依據該輸出光波信號產生一回授電信號，並且將該回授電信號傳輸給該第二垂直共振腔面射型雷射單元， 其中，該第二垂直共振腔面射型雷射單元係依據該回授電信號激發出該第二光波信號。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的光通訊發射器，其中該第一波長位於851.84nm至852.12nm之間，並且該第二波長位於851.81nm至852.09nm之間。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的光通訊發射器，其中該注入鎖定電路包括： 一光循環器，耦接該第一垂直共振腔面射型雷射單元與該第二垂直共振腔面射型雷射單元，用以引導該第一光波信號與該第二光波信號的光傳輸方向，藉以提供注入路徑以耦合該第一光波信號與該第二光波信號，並且據以產生一鎖模光波信號；以及 一光分流器，具有一輸入端、一第一輸出端以及一第二輸出端，該輸入端耦接該光循環器，其中該光分流器將接收到的鎖模光波信號分流為該輸出光波信號以及一回授光波信號，該第一輸出端輸出該輸出光波信號，並且該第二輸出端輸出該回授光波信號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的光通訊發射器，其中該光電回授電路包括： 一光偵測器，耦接光分流器的第二輸出端以接收該回授光波信號，其中該光偵測器將該回授光波信號轉換為一電信號；以及 一轉阻放大器，耦接該光偵測器，用以將該電信號轉換為該回授電信號。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的光通訊發射器，更包括： 一多模光纖，耦接該光分流器的第一輸出端，用以傳輸該輸出光波信號。
  10. 如申請專請專利範圍第9項所述的光通訊發射器，其中該多模光纖的傳輸長度小於250公尺。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的光通訊發射器，其中該多模光纖的傳輸長度大於200公尺。
  12. 如申請專利範圍第9項所述的光通訊發射器，其中該多模光纖為OM4光纖。
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