TWI733249B - 用於直接偵測光學通信系統之新式光學等化方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供傳輸直接偵測光學信號之系統及方法。根據說明性實施例之一直接偵測光學傳輸器包含一馬赫-陳爾德調變器(MZM)，該馬赫-陳爾德調變器經組態以基於一電驅動信號來調變雷射光以產生一經調變光學信號及一互補經調變光學信號。該光學傳輸器包含一光學有限脈衝回應(FIR)濾波器，該光學有限脈衝回應濾波器經組態以接收該互補經調變光學信號並產生一經濾波光學信號。該光學傳輸器包含一偏振旋轉器，該偏振旋轉器經組態以接收該經濾波光學信號並輸出一經旋轉光學信號。該光學傳輸器包含一光學組合器，該光學組合器經組態以組合該經調變光學信號與該經旋轉光學信號。該光學傳輸器包含一輸出埠，該輸出埠經組態以輸出該組合式光學信號。

Description

用於直接偵測光學通信系統之新式光學等化方法
電腦網路資料中心由經由電及光學鏈路而互連之諸多經互連計算裝置(諸如伺服器、交換機、路由器及閘道器)組成。由於嚴格功率及成本要求，因此光學鏈路往往使用直接偵測技術，尤其係針對<100m短到達資料中心互連。馬赫-陳爾德(Mach Zehnder)調變器(MZM)係一種用於基於矽光子之短到達直接偵測光學通信系統之廣泛使用之光學調變器。MZM具有兩個輸出埠：一個輸出埠係在其處可將經強度調變光學信號模型化為C1+I(t)之常用輸出埠，且另一埠具有可被模型化為C2-I(t)之互補經調變光學信號輸出。在典型正交MZM偏壓之情況下，C1及C2係相等常數。針對習用直接偵測通信系統，不使用互補輸出埠。
至少一項態樣係關於一種直接偵測光學傳輸器。該光學傳輸器包含一馬赫-陳爾德調變器(MZM)，該馬赫-陳爾德調變器經組態以基於一電驅動信號調變雷射光以產生一經調變光學信號及一互補經調變光學信號。該光學傳輸器包含一光學有限脈衝回應(FIR)濾波器，該光學有限脈衝回應(FIR)濾波器經組態以接收該互補經調變光學信號並產生一經濾 波光學信號。該光學傳輸器包含一偏振旋轉器，該偏振旋轉器經組態以接收該經濾波光學信號並輸出一經旋轉光學信號。該光學傳輸器包含一光學組合器，該光學組合器經組態以組合該經調變光學信號與該經旋轉光學信號。該光學傳輸器包含一輸出埠，該輸出埠經組態以輸出該組合式光學信號。
至少一項態樣係關於一種傳輸一直接偵測光學信號之方法。該方法包含基於一電驅動信號調變雷射光以產生一經調變光學信號及一互補經調變光學信號。該方法包含使用一光學有限脈衝回應(FIR)濾波器對該互補經調變光學信號進行濾波以產生一經濾波光學信號。該方法包含旋轉經濾波光學信號以產生一經旋轉光學信號。該方法包含組合該經調變光學信號與該經旋轉光學信號。該方法包含輸出該組合式光學信號。
下文詳細地論述此等及其他態樣以及實施方案。前述資訊及以下詳細說明包含各種態樣及實施方案之說明性實例，且提供用於理解所主張態樣及實施方案之本質及特點之一概述及框架。圖式提供對各種態樣及實施方案之圖解說明及一進一步理解，且併入本說明書中並構成本說明書之一部分。
100:基於馬赫-陳爾德調變器之傳輸器/傳輸器/習用直接偵測傳輸器/習用傳輸器
110:馬赫-陳爾德調變器
115:端子
120:電預等化器
130:驅動器
200:經改良基於馬赫-陳爾德調變器之傳輸器/經改良傳輸器/傳輸器
210:馬赫-陳爾德調變器
220:選用電預等化器
230:驅動器
240:光學有限脈衝回應濾波器
280:偏振旋轉器
290:偏振組合器
300:經改良基於馬赫-陳爾德調變器之傳輸器/傳輸器/經改良傳輸器
342:單符號(T間隔)延遲
344:可變光學衰減器
400:經改良基於馬赫-陳爾德調變器之傳輸器/傳輸器/經改良傳輸器
441:光學分離器
442:單符號(T間隔)延遲
444:可變光學衰減器
448:可變光學衰減器
449:光學耦合器/耦合器
500:經改良傳輸器
541:光學分離器
542:單符號(T間隔)延遲
543:雙符號(2T間隔)延遲
544:可變光學衰減器
547:可變光學衰減器
548:可變光學衰減器
549:光學耦合器
550:單符號延遲
600:高階端對端傳輸效能評估模型/效能評估模型
610:馬赫-陳爾德調變器
620:選用電預等化器
630:驅動器
680:偏振旋轉器
690:偏振組合器
692:鏈路損耗元件
695:直接偵測光接收器/光接收器
701:模擬結果
702:模擬結果
801:模擬結果/光學眼圖
802:模擬結果/光學眼圖
803:模擬結果/光學眼圖
901:模擬結果
902:模擬結果
903:模擬結果
904:模擬結果
905:模擬結果
906:模擬結果
1100:方法
1110:選用階段
1120:階段
1130:階段
1140:階段
1150:階段
1160:階段
X-pol:原始信號
Y-pol:經正交偏振互補信號
附圖並不意欲按比例繪製。在各個圖式中，相似元件符號及名稱指示相似元件。出於清晰目的，並非每一組件皆可標記於每一圖式中。在各圖式中：圖1係用於直接偵測光學通信系統之一習用基於馬赫-陳爾德調變器(MZM)之傳輸器之一方塊圖；圖2係根據某些實施方案之用於直接偵測光學通信系統之 一經改良基於MZM之傳輸器的一功能方塊圖；圖3係根據某些實施方案之用於直接偵測光學通信系統之一經改良基於MZM之傳輸器之一第一實例的一方塊圖，該第一實例具有一單分接頭光學有限脈衝回應濾波器；圖4係根據某些實施方案之用於直接偵測光學通信系統之一經改良基於MZM之傳輸器之一第二實例的一方塊圖，該第二實例具有一雙分接頭光學有限脈衝回應濾波器；圖5係根據某些實施方案之用於直接偵測光學通信系統之一經改良基於MZM之傳輸器之一第三實例的一方塊圖，該第三實例具有一個三分接頭光學有限脈衝回應濾波器；圖6係用於直接偵測光學通信系統之一經改良基於MZM之傳輸器之一高階端對端傳輸效能評估模型的一功能方塊圖；圖7A及圖7B展示根據本發明之在一習用傳輸器與一經改良傳輸器之間比較插入損失(S21)之模擬結果；圖8A及圖8B展示根據本發明之在分別未進行等化、進行電等化及進行光學等化之傳輸器之間比較輸出光學眼圖之模擬結果；圖9A至圖9C展示使用不同傳輸器等化組態之端對端系統效能之模擬結果；圖10展示使用數種不同傳輸器等化組態及參數之端對端系統效能之模擬結果；且圖11展示根據某些實施方案之執行用於直接偵測光學通信系統之經改良基於MZM之信號傳輸之一實例性方法的一流程圖。
相關申請案交叉參考
本申請案主張2018年11月20日提出申請之美國臨時專利申請案第62/770,007號的權益，該美國臨時專利申請案之全部內容及其要旨係以引用的方式併入本文中。
本發明一般而言係關於針對用於改良直接偵測光學通信系統之頻寬之光學等化之系統及方法。本發明之系統及方法可藉由以下操作而增強傳輸器頻寬：1)在馬赫-陳爾德調變器(MZM)之互補信號輸出路徑處引入一光學有限脈衝回應(FIR)濾波器，2)將FIR經濾波互補信號之偏振狀態旋轉90度，及3)透過一偏振組合器而組合經正交偏振互補信號(Y-pol)與原始信號(X-pol)。此技術使得能夠在光學域中實施幾乎無損傳輸器頻寬等化(嚴格地在理論上無損)，此乃因頻寬等化所需之原始信號之經延遲‘複本’係自互補信號路徑獲得且透過一偏振組合器而被組合。所提出技術可達成與電預等化類似之效能，但具有較低功率消耗(低多達並超過一個數量級)。因此，所提出技術可用於藉由消除對Tx側電預等化之需要而減少傳輸器功率。該所提出技術亦可與習用電預等化技術一起使用以改良頻寬受限高速光學通信系統之整體傳輸效能。模擬已展示可針對一頻寬受限112 GBaud PAM4系統達成>1.5dB效能增益。
電腦網路連結及通信之日益增長的頻寬需求繼續推動對更高速光學互連網路之需要。為將互連介面頻寬比例縮放至超過400Gb/s，需要更高符號速率(>50Gbaud)及更高階數調變格式(PAM4或更高)兩者。由於資料中心互連網路具有極嚴格之功率及成本要求，因此基於直接(強度)偵測之技術仍係預設技術選擇(至少在可預見的未來)，尤其係針對<100m短到達資料中心互連。
然而，針對利用高符號速率及高階數調變格式之此等高速直接偵測偵測系統，有限光學及電組件頻寬已變為達成所需鏈路預算之瓶頸。因此，可增強整體傳輸系統頻寬(及因此經改良鏈路預算)之技術對於繼續比例縮放資料中心網路係關鍵的。
馬赫-陳爾德調變器(MZM)係一種用於基於矽光子之短到達直接偵測光學通信系統之廣泛使用的光學調變器。MZM具有兩個輸出埠：一個輸出埠係在其處可將經強度調變光學信號模型化為C1+I(t)之常用輸出埠，且另一埠具有可被模型化為C2-I(t)之互補經調變光學信號輸出。C1及C2係等於當無任何資料驅動信號被施加至MZM時在兩個MZM輸出處之連續波光學功率的兩個常數。在典型正交MZM偏壓之情況下，C1=C2=C。針對習用直接偵測通信系統，不使用互補輸出埠。
用以增強傳輸器頻寬之一種方法係藉由使用一類基於有限脈衝回應(FIR)濾波器之等化技術來提升經調變光學信號的高頻率信號頻譜分量。但此方法存在兩個挑戰。首先，習用光學FIR濾波器將引入顯著信號損失，此乃因必須將原始光學信號分離至多個路徑中，且接著藉由使用多個光學耦合器來重新組合。其次，習用延遲與衰減光學FIR濾波器對於直接偵測系統並不奏效，此乃因信號不在光場上被調變。
針對所提出光學等化技術，引入兩種新式設計概念來解決以上兩個挑戰。首先，在互補信號路徑處而非在原始信號路徑上實施延遲與衰減FIR濾波器。其次，在90度偏振旋轉之後，透過一偏振組合器來組合FIR經濾波互補信號與原始光學信號。由於不存在由偏振組合器引入之基本損失，因此所提出光學等化方法在理論上係一嚴格無損光學等化技術，但針對實務實施方案，偏振組合器可引入一小的(0.1dB至0.2dB)額 外插入損失。而且由於一偏振組合器執行一強度和運算，因此所提出等化技術適用於直接偵測光學通信系統。在某些實施方案中，可將偏振旋轉器及偏振組合器實施為一單個整合式裝置。
在某些實施方案中，於MZM之互補信號路徑處實施的光學FIR濾波器可為一簡單的單分接頭T間隔FIR濾波器(相對於原始信號，具有一個分接頭延遲)。在某些實施方案中，光學FIR濾波器可為一雙分接頭或三分接頭T間隔FIR濾波器。在某些實施方案中，分接頭延遲可大於或小於一符號週期T，雖然在本文中所論述之實例中使用符號週期延遲。在某些實施方案中，系統可使用一可變光學衰減器(VOA)，該VOA係可引入可變光學損失之一光學裝置。可將該VOA實施為一基於電吸收調變之裝置，或基於馬赫-陳爾德干擾(MZI)之裝置。基於MZI之VOA裝置可具有較低本質損失(在理論上係無損的)，且亦可提供一額外光學功率監測埠以幫助進行VOA損失控制。由於用以控制VOA之所需功率可為極低的(對於基於矽光子之裝置，小於2mW)，因此所提出之光學等化技術可具有比習用電等化技術低得多的功率消耗(低多達並超過一個數量級)。此外，光學等化之所需功率即使在資料速率被比例縮放為較高時仍保持相同，而電等化針對較高資料速率則需要較大功率。
在一單分接頭FIR濾波器(諸如下文參考圖3所闡述)之情形中，可將偏振經組合光學強度信號表達為：I xy (t)=C+I(t)+aC-aI(t-T)=(1+a)C+I(i)-aI(t-T) (1)其中a表示VOA之(功率)傳輸係數(亦即，FIR濾波器之功率係數)。可見，I xy (t)之有效部分等效於在通過一無損雙分接頭高頻率提升線性等化器之後的原始信號。自方程式1，亦可見，DC信號分量已自C增加至(1+a)C。經 增加DC分量將減小調變消光比(ER)。
已發現，可藉由引入一額外零延遲分接頭而改良調變ER及光學調變振幅。一雙分接頭系統(諸如下文參考圖4所闡述)將用作用以圖解說明原理之一實例。可由以下方程式2給出雙分接頭FIR濾波器之輸出(亦即，OC2處之輸出)處之互補光學信號場：
Figure 108142097-A0305-02-0009-1
 其中a0及a1分別表示上部路徑(具有VOA0)及下部路徑(具有VOA1)之(功率)傳輸係數。注意，針對此設計，在上部路徑與下部路徑之間存在一pi相位差。假定一相對小MZM調變深度，可將偏振經組合光學強度信號表達為：
Figure 108142097-A0305-02-0009-2
自方程式3，可見，藉由使a0>0且a0<a1，可減小DC分量且可增加光學調變振幅(OMA)。然而，a0之非零值將引入額外串擾(方程式3之最後項)。模擬已展示，即使在存在此額外串擾之情況下，引入此零延遲分接頭仍可改良一頻寬受限直接偵測系統之整體效能。
圖1係用於直接偵測光學通信系統之一習用基於MZM之傳輸器100之一方塊圖。傳輸器100使用一馬赫-陳爾德調變器(MZM)110來利用來自一驅動器130之一電驅動信號調變一雷射光。驅動器130可為一電壓、電流或功率放大器，該電壓、電流或功率放大器可獲得待傳輸之電信號且將其放大至適合於調變MZM 110之一位準。MZM 110係基於一馬赫-陳爾德干涉儀。MZM可調變一光學波之振幅。MZM由被分離成兩個 波導之一輸入波導組成，該兩個波導充當一干涉儀之臂。當跨越該等臂中之一者而施加一電壓時，受影響臂對通過其之波施加一相移。當重新組合該等臂時，兩個波之間的相位差導致一振幅調變。MZM具有兩個輸出：一經調變輸出及一互補經調變輸出。在圖1之習用傳輸器100中，來自互補經調變輸出之信號未被使用，且在某些情形中僅被饋入至一端子115中。因此，僅丟棄來自MZM 110之光學功率之50%或3dB。
在某些情形中，藉由一電預等化器120進行之電預等化可用於提升將被調變至連續波雷射上之電信號之高頻率分量。然而，電預等化在等化自身中以及在藉由驅動器130進行之對經預等化電信號之放大中皆需要大量額外功率。此外，電預等化之功率要求隨著位元速率而比例縮放；亦即，較高位元速率需要用於電預等化之較大功率。
圖2係根據某些實施方案之用於直接偵測光學通信系統之一經改良基於MZM之傳輸器200的一功能方塊圖。經改良傳輸器200力圖避免與藉由對互補經調變信號進行濾波、旋轉及重新組合經濾波經旋轉信號與(非互補)經調變信號而丟棄該互補經調變信號相關聯之損失。傳輸器200包含一MZM 210，該MZM基於來自一驅動器230之一電驅動信號而調變一連續波雷射。來自MZM 210之一經調變輸出直接去往一偏振組合器290。來自MZM 210之一互補經調變輸出在進入偏振組合器290中之前通過一光學有限脈衝回應(FIR)濾波器240及一偏振旋轉器280。偏振組合器290組合信號以產生一傳輸器輸出信號。
MZM 210、驅動器230及選用電預等化器220可分別類似於用於習用直接偵測傳輸器100中之MZM 110、驅動器130及電預等化器120。然而，與習用傳輸器100相對比，經改良傳輸器200並不丟棄互補經 調變輸出，而是施加光學FIR濾波器240、利用偏振旋轉器280來旋轉信號之偏振且使用偏振組合器290來重新組合該信號與MZM 210之經調變輸出。由於不存在由偏振組合器290引入之基本損失，因此經改良傳輸器200之光學等化方法在理論上係一嚴格無損光學等化技術，但針對實務實施方案，偏振組合器290可引入一小的(0.1dB至0.2dB)額外插入損失。而且由於偏振組合器290執行一強度和運算，因此所提出等化技術適用於直接偵測光學通信系統。在某些實施方案中，可將偏振旋轉器280及偏振組合器290實施為一單個整合式裝置。
光學FIR濾波器240可具有各種實施方案，包含單接頭、雙接頭及三接頭光學EQ實施方案，分別如圖3、圖4及圖5中所展示。
圖3係根據某些實施方案之用於直接偵測光學通信系統之一經改良基於MZM之傳輸器300之一第一實例的一方塊圖，該第一實例具有一單分接頭光學有限脈衝回應濾波器。傳輸器300包含與傳輸器200類似之一MZM 210、選用電預等化器220、驅動器230、偏振旋轉器280及偏振組合器290。傳輸器300包含被實施為一單分接頭T間隔光學FIR濾波器之一有限FIR濾波器。濾波器包含一單符號(T間隔)延遲342及一可變光學衰減器(VOA)344，其中T表示一符號週期。VOA 344係可引入可變光學損失之一光學裝置。可將VOA 344實施為一基於電吸收調變之裝置或基於馬赫-陳爾德干擾(MZI)之裝置。基於MZI之VOA裝置可具有較低本質損失(在理論上係無損的)且亦可提供一額外光學功率監測埠以幫助進行VOA損失控制。由於用以控制VOA之所需功率可為極低的(對於基於矽光子之裝置，小於2mW)，因此所提出光學等化技術可具有比習用電等化技術低得多之功率消耗(低多達並超過一個數量級)。在下文進一步所論述之 圖9B之曲線圖903中展示類似於傳輸器300之具有一單分接頭光學EQ之一傳輸器之一模擬。
圖4係根據某些實施方案之用於直接偵測光學通信系統之一經改良基於MZM之傳輸器400之一第二實例的一方塊圖，該第二實例具有一雙分接頭光學有限脈衝回應濾波器。傳輸器400包含與傳輸器200類似之一MZM 210、選用電預等化器220、驅動器230、偏振旋轉器280及偏振組合器290，但為簡潔起見已自圖式省略除MZM 210之外的所有其他組件。傳輸器400包含被實施為一雙分接頭T間隔光學FIR濾波器之一有限FIR濾波器。濾波器包含用以將信號分離成兩個信號之一光學分離器441，及用以重新組合信號之一光學耦合器449。在分離信號中，一半在到達光學耦合器449之前被直接饋入至一VOA 448中。分離信號之第二半在到達光學耦合器449之前饋入一單符號(T間隔，其中T表示一符號週期)延遲442及一可變光學衰減器(VOA)444。在下文進一步所論述之圖9C之曲線圖905中展示類似於傳輸器400之具有一雙分接頭光學EQ之一傳輸器之一模擬。注意，可將VOA 448與耦合器449組合至一單個MZI實施方案中，且亦可將VOA 444與耦合器449組合至一單個MZI實施方案中。此外，針對某些實施方案，可將一相移器引入於兩個路徑中之一者-具有VOA 448之上部路徑或具有VOA 444之下部路徑中以改善等化效能。
圖5係根據某些實施方案之用於直接偵測光學通信系統之一經改良基於MZM之傳輸器500之一第三實例的一方塊圖，該第三實例具有一個三分接頭光學有限脈衝回應濾波器。傳輸器500包含與傳輸器200類似之一MZM 210、選用電預等化器220、驅動器230、偏振旋轉器280及偏振組合器290，但為簡潔起見已自圖式省略除MZM 210之外的所有其 他組件。傳輸器500包含被實施為一個三分接頭T間隔光學FIR濾波器之一有限FIR濾波器。濾波器包含用以將信號分離成三個信號之一光學分離器541，及用以重新組合信號之一光學耦合器549。在三個分離信號中，一個分離信號在到達光學耦合器549之前被直接饋入至一VOA 548中。第二分離信號在到達光學耦合器549之前饋入一單符號(T間隔，其中T表示一符號週期)延遲542及一可變光學衰減器(VOA)544。並且第三分離信號在到達光學耦合器549之前饋入一雙符號(2T間隔)延遲543及一可變光學衰減器(VOA)547。在傳輸器中，MZM 210之經調變輸出經過一單符號延遲550。延遲的經調變輸出與光學耦合器549之輸出組合以產生傳輸器輸出。
圖6係用於直接偵測光學通信系統之一經改良基於MZM之傳輸器之一高階端對端傳輸效能評估模型600之一功能方塊圖。效能評估模型600之MZM 610、選用電預等化器620、驅動器630、偏振旋轉器680及偏振組合器690被模型化以與傳輸器200之MZM 210、選用電預等化器220、驅動器230、偏振旋轉器280及偏振組合器290以類似之一方式運轉。效能評估模型600進一步包含一鏈路損耗元件692及直接偵測光接收器695。在效能評估模型600中，鏈路損耗可包含傳輸耦合損耗及接收耦合損耗兩者。光接收器695可包含一光電二極體(PD)、跨阻抗放大器(TIA)、類比轉數位轉換器(ADC)，及一等化器。對於效能評估模型600而言，假定雷射係進入到MZM 610中之一11dBm連續波雷射，一MZM插入損耗係4dB。忽略由非理想X-偏振組合器及Y-偏振組合器所致之過多插入損耗。使用效能評估模型600以產生圖7至圖10中所展示之結果。
圖7A及圖7B分別展示模擬結果701及702，該等模擬結果 在一習用傳輸器與根據本發明之一經改良傳輸器之間比較插入損耗(S21)。模擬結果701展示一單分接頭濾波器之S21。模擬結果702展示一雙分接頭濾波器之S21。模擬結果701及702展示在使用及不使用所提出之頻寬增強技術的情況下經模擬的傳輸器側電光傳送函數S21(作為輸入之電驅動信號及作為輸出去往鏈路之經調變光學信號)。使用一個一階巴特沃斯(Butterworth)濾波器來將MZM頻帶限制效應模型化。使用雙分接頭T間隔光學等化技術(諸如，圖4中所展示之傳輸器400)，且假定一濾波器分接頭(功率)係數a0=0.067且a1=0.38，則一56Gbaud系統的3-dB電光頻寬可自20GHz增大至35GHz，頻寬增強了75%；且一112Gbaud系統的3-dB電光頻寬自35GHz增大至62GHz，頻寬增強了77%。在低頻信號頻率分量之損耗<1.2dB的情況下達成此一頻寬增強(就一56Gbuad系統而言，在10GHz內；且就一112Gbaud系統而言，在20GHz內)。
圖8A及圖8B分別展示根據本發明之模擬結果801、802及803，上述結果在未進行等化(801)、進行電等化(802)及進行光學等化(803)之傳輸器之間比較輸出光學眼圖。圖8A及圖8B展示在以下三種不同的Tx等化情景下一經模擬的56Gbaud PAM4 Tx輸出光學眼圖：801係不進行Tx等化的光學眼圖、802係進行三分接頭Tx電預等化的光學眼圖，且803係進行所提出之三分接頭Tx光學等化的光學眼圖，該三分接頭Tx光學等化係(諸如)使用具有與圖之傳輸器500類似之組態之一傳輸器實現。針對此模擬，假定3-dB MZM頻寬為20GHz，且假定DAC頻寬及驅動器頻寬兩者皆為30GHz(假定五階貝索(Bessel)濾波器形狀)。假定峰間電驅動擺動為MZM之0.4Vpi。在不使用Tx等化的情況下，由於符號間干涉(ISI)嚴重，因此光學眼完全閉合。峰間ER(在後文標示為ERpp)係5.76dB，而 rms光學調變振幅(OMA)係0.75mW。在FIR濾波器係數為[-0.2 1 -0.2]之情況下的電預等化在很大程度上移除ISI，但ERpp自5.76dB減小至4.6dB，且rms OMA自0.75mW減小至0.65mW。儘管由於DC組件增多，ERpp減小至4.3dB，但所提出之FIR分接頭(光場)係數為[0.36,-0.2,0.36])的3分接頭光學等化技術允許減輕ISI，而不會使rms OMA降級。
圖9A至圖9C展示使用不同的傳輸器等化方法之端對端系統效能之模擬結果901至906。模擬結果901至906展示使用不同的Tx側等化方法之經模擬56Gbaud PAM4端對端系統效能：(901)係雙分接頭電預等化，(902)係三分接頭電預等化，(903)係單分接頭光學等化，(904)係聯合的三分接頭電等化與單分接頭光學等化，(905)係雙分接頭光學等化，且(906)係聯合的三分接頭電等化與雙分接頭光學等化。在此模擬中，假定MZM 3-dB頻寬為20GHz。對於其他組件(DAC、驅動器、PD、TIA及ADC)而言，假定3-dB頻寬為30GHz。使用五階貝索濾波器、驅動器及ADC來將DAC模型化，而使用二階貝索濾波器來將PD模型化，且使用四階巴特沃斯濾波器來將TIA模型化。就電預等化而言，預等化強度=1表示由DAC、驅動器及MZM引起的所有傳輸器側頻帶限制效應被完全(一階)預等化的情形。使用固定十七分接頭T間隔FFE來實現Rx側傳輸後等化。自模擬結果901至906可看出，所提出單分接頭光學等化技術可達成與習用三分接頭電預等化技術類似的效能，且與習用雙分接頭電預等化技術相比可達成0.5dB之效能優化(就1e-3及1e-4之功率靈敏度而言)。儘管在僅使用光學等化時將光學分接頭自一個增加至兩個無法改良效能，藉由使用聯合的三分接頭電等化與雙分接頭光學等化可達成約0.8dB之進一步效能增益(與單純使用電預等化相比)，而藉由使用聯合的3分接頭電等化與單 分接頭光學等化僅達成約0.3dB之額外效能增益。
圖10展示使用數種不同的傳輸器等化方法及參數之端對端系統效能之模擬結果1001。模擬結果1001展示使用以下兩個不同的Tx等化方法之經模擬112Gbaud PAM4端對端系統效能：三分接頭電預等化及聯合的三分接頭電等化與雙分接頭光學等化。就此模擬而言，假定3dB MZM頻寬為35GHz，且假定所有其他組件的頻寬皆為50GHz。模擬結果1001表明引入雙分接頭光學等化(與三分接頭電預等化組合使用)可在1e-3下將功率靈敏度提高約1dB，且在2e-4下將功率靈敏度提高>1.5dB(與僅使用三分接頭電預等化之情形相比)。
總結：
所提出的新式光學等化技術可在不減小OMA之情況下將傳輸器頻寬增強>70%。
對於一有限頻寬56Gbaud PAM4系統而言，所提出的單分接頭光學等化技術可達成與習用三分接頭電預等化技術類似之效能，且與習用雙分接頭電預等化技術相比可達成0.5dB之功率靈敏度優化。
就一有限頻帶112Gbaud PAM4系統而言(MZM頻寬為35GHz及其他組件頻寬為50GHz)，所提出的雙分接頭光學等化與習用三分接頭電預等化組合達成>1.5dB @1e-4功率靈敏度增益。
圖11展示根據某些實施方案執行直接偵測光學通信系統之經改良基於MZM之信號傳輸之一實例性方法1100之一流程圖。可藉由先前所闡述之經改良傳輸器200、300、400或500中之任一者來執行方法1100。方法1100可視情況包含將信號電預等化以供傳輸(選用階段1110)。方法1100包含基於一電驅動信號調變雷射光以產生一經調變光學信號及一 互補經調變光學信號(階段1120)。方法1100包含使用一光學有限脈衝回應(FIR)濾波器對互補經調變光學信號進行濾波以產生一經濾波光學信號(階段1130)。方法1100包含旋轉經濾波光學信號以產生一經旋轉光學信號(階段1140)。方法1100包含組合經調變光學信號與經旋轉光學信號(階段1150)。方法1100包含輸出組合式光學信號(階段1160)。
方法1100可視情況包含將信號電預等化以供傳輸(選用階段1110)。在採用電預等化之實施方案中，可藉由先前所闡述之一電預等化器220實現電預等化。電預等化可由放大一待調變電信號之一高頻分量組成。儘管電預等化係系統之選用操作，但其在與本文中所闡述之光學等化技術結合使用時可進一步改良系統效能。
方法1100包含基於一電驅動信號調變雷射光以產生一經調變光學信號及一互補經調變光學信號(階段1120)。可藉由一馬赫-陳爾德調變器(MZM)(諸如先前所闡述之MZM 210)實現該調變。MZM可根據由諸如驅動器230等一驅動器放大之一電信號調變一連續波雷射。驅動器可將待調變電信號之電壓及/或電流放大至適合於MZM操作之一範圍。該MZM將輸出兩個互補光學信號：經調變光學信號及一互補經調變光學信號。
方法1100包含使用一光學有限脈衝回應(FIR)濾波器對互補經調變光學信號進行濾波以產生一經濾波光學信號(階段1130)。可將經調變光學信號直接提供至一偏振組合器(或在某些實施方案(諸如由圖5中所展示之傳輸器500圖解說明之實施方案)中，經由一符號週期延遲器提供至偏振組合器)。將互補經調變光學信號提供至一光學FIR濾波器，諸如參考圖2所闡述之光學FIR濾波器240。如由實例性傳輸器300、400及500所展 示，光學FIR濾波器可分別具有單分接頭組態、雙分接頭組態或三分接頭組態。
就一單分接頭設計而言，方法1100可包含使用一符號週期延遲器將互補經調變光學信號延遲一符號週期，並藉由一可變光學衰減器(VOA)(諸如VOA 344)使經延遲的互補經調變光學信號衰減以產生經濾波光學信號。VOA可係一基於電吸收調變之裝置或一基於馬赫-陳爾德干涉之裝置。可將經濾波光學信號提供至偏振旋轉器。
就一雙分接頭設計而言，方法1100可包含使用一光學耦合器(諸如，參考圖4所闡述之光學分離器441)將互補經調變光學信號分離成一第一信號及一第二信號。可藉由一VOA使第一信號衰減以產生一第一經衰減信號。可使用一符號週期延遲器將第二信號延遲一符號週期。可藉由一VOA使第二信號衰減以產生一第二經衰減信號。方法1100可包含組合第一經衰減信號與第二經衰減信號以產生經濾波光學信號。可將該經濾波光學信號提供至偏振旋轉器。
就一個三分接頭設計而言，方法1100可包含使用一光學耦合器將互補經調變光學信號分離成一第一信號、一第二信號及一第三信號。可使用一VOA使第一信號衰減以產生一第一經衰減信號。可將第二信號延遲一符號週期並衰減以產生一第二經衰減信號。可將第三信號延遲兩個符號週期並衰減以產生一第三經衰減信號。可使用一光學耦合器(諸如，光學耦合器549)來組合第一經衰減信號、第二經衰減信號及第三經衰減信號以產生經濾波光學信號。可將經濾波光學信號提供至偏振旋轉器，該偏振旋轉器可將經旋轉光學信號提供至偏振組合器。與此同時，可將經調變光學信號-來自MZM之經調變(亦即，非互補)輸出-延遲一符號週 期延遲器，再將其與經旋轉光學信號組合。可將經延遲經調變光學信號提供至偏振組合器，該偏振組合器可組合經延遲經調變光學信號與經旋轉光學信號以產生組合式光學信號以供傳輸。
方法1100包含旋轉經濾波光學信號以產生一經旋轉光學信號(階段1140)。可使用先前所闡述之偏振旋轉器280實現對光學經濾波光學信號之旋轉。偏振旋轉器可將經濾波光學信號旋轉90度。
方法1100包含組合經調變光學信號與經旋轉光學信號(階段1150)。一偏振組合器(諸如，參考圖2所闡述之偏振組合器290)可組合經旋轉光學信號與來自MZM之經調變光學信號。在某些實施方案中，諸如在三分接頭光學濾波器實施方案中，可將來自MZM之經調變光學信號延遲一符號週期，再在偏振組合器處將其與經旋轉光學信號重組。
方法1100包含輸出該組合式光學信號(階段1160)。可自傳輸器輸出重組光學信號以作為一直接偵測光學信號。
儘管本說明書含有諸多具體的實施方案細節，但不應將這些具體實施方案細節視為對本發明或可主張內容的範圍之限制，而是應將其視為對特定發明之特定實施方案所特有之特徵之說明。亦可將本說明書中在單獨實施方案之內容脈絡中所闡述之一些特徵組合地實施於一單個實施方案中。反之，在一單個實施方案之內容脈絡中所闡述之各種特徵亦可單獨地或以任何適合之子組合實施於多個實施方案中。此外，儘管上文可將特徵闡述為以一些組合起作用且甚至最初主張如此，但來自所主張組合之一或多個特徵在某些情形中可自所述組合去除，且所主張組合可指代子組合或子組合之變化形式。
類似地，雖然在圖式中以特定次序繪示操作，但不應將此 理解為需要以所展示之特定次序或按順序次序執行此等操作或執行所有所圖解說明之操作來實現所期望結果。在一些情況下，多任務及並行處理可係有利的。此外，上文所闡述之實施方案中之各種系統組件之分開不應被理解為在所有實施方案中皆需要進行此分開，而應理解為所闡述之程式組件及系統通常可一起整合於一單個軟體產品中或封裝至多個軟體產品中。
所提及之「或」可解釋為包含性的，使得使用「或」所闡述之任何術語可指示單個所闡述術語、一個以上所闡述術語及所有所闡述術語中之任一者。標籤「第一」、「第二」及「第三」等未必意在指示一排序且通常僅用於區分在相似或類似的物項或元件之間。
熟習此項技術者可易於明瞭對本發明中所闡述之實施方案之各種修改，且本文中所定義之一般原理可適用於其他實施方案，而這並不背離本發明之精神或範疇。因此，申請專利範圍並不旨在限制於本文中所展示之實施方案，而是被授予與本發明、本文中所揭示之原理及新穎特徵一致之最廣範疇。
200:經改良基於馬赫-陳爾德調變器之傳輸器/經改良傳輸器/傳輸器
210:馬赫-陳爾德調變器
220:選用電預等化器
230:驅動器
240:光學有限脈衝回應濾波器
280:偏振旋轉器
290:偏振組合器
X-pol:原始信號
Y-pol:經正交偏振互補信號

Claims (20)

  1. 一種直接偵測光學傳輸器，其包括：一馬赫-陳爾德調變器(Mach Zehnder Modulator；MZM)，其經組態以基於一電驅動信號來調變雷射光，以產生一經調變光學信號及一互補經調變光學信號；一光學有限脈衝回應(FIR)濾波器，其經組態以接收來自該MZM之該互補經調變光學信號並產生一經濾波光學信號；一偏振旋轉器，其經組態以接收來自該FIR之該經濾波光學信號並輸出一經旋轉光學信號；一光學組合器，其經組態以組合來自該MZM之該經調變光學信號與來自該偏振旋轉器之該經旋轉光學信號；及一輸出埠，其經組態以輸出該組合式光學信號。
  2. 如請求項1之直接偵測光學傳輸器，其中該光學FIR濾波器包含一單分接頭延遲與衰減濾波器。
  3. 如請求項2之直接偵測光學傳輸器，其中該光學FIR濾波器包含：一符號週期延遲器；及一可變光學衰減器。
  4. 如請求項3之直接偵測光學傳輸器，其中該可變光學衰減器係一基於電吸收調變之裝置或一基於馬赫-陳爾德干涉之裝置之一者。
  5. 如請求項1之直接偵測光學傳輸器，其中該FIR濾波器包含一雙分接頭濾波器。
  6. 如請求項5之直接偵測光學傳輸器，其中該光學FIR濾波器包含：一第一光學耦合器，其經組態以將該互補經調變光學信號分離成一第一信號及一第二信號；一第一可變光學衰減器，其經組態以接收該第一信號並輸出一第一經衰減信號；一符號週期延遲器，其經組態以延遲該第二信號；一第二可變光學衰減器，其經組態以接收該經延遲第二信號並輸出一第二經衰減信號；及一第二光學耦合器，其經組態以組合該第一經衰減信號與該第二經衰減信號，並將該經濾波光學信號提供至該偏振旋轉器。
  7. 如請求項1之直接偵測光學傳輸器，其中該FIR濾波器包含一個三分接頭濾波器。
  8. 如請求項7之直接偵測光學傳輸器，其包括一第一符號週期延遲器，該第一符號週期延遲器經組態以在該經調變光學信號到達該光學組合器之前將其延遲，其中該光學FIR濾波器包含：一第一光學耦合器，其經組態以將該互補經調變光學信號分離成一第一信號、一第二信號，及一第三信號； 一第一可變光學衰減器，其經組態以接收該第一信號並輸出一第一經衰減信號；一第二符號週期延遲器，其經組態以延遲該第二信號；一第二可變光學衰減器，其經組態以接收該經延遲第二信號並輸出一第二經衰減信號；一個雙符號週期延遲器，其經組態以延遲該第二信號；一第三可變光學衰減器，其經組態以接收該經延遲第三信號並輸出一第三經衰減信號；及一第二光學耦合器，其經組態以組合該第一經衰減信號、該第二經衰減信號及該第三經衰減信號，並將該經濾波光學信號提供至該偏振旋轉器。
  9. 如請求項1之直接偵測光學傳輸器，其包括：一電預等化器，其經組態以將一電信號電預等化以供傳輸；一電驅動器，其經組態以接收該電信號，並將該電驅動信號提供至該MZM。
  10. 如請求項9之直接偵測光學傳輸器，其中電預等化器包含一個三分接頭電預等化器。
  11. 一種傳輸一直接偵測光學信號之方法，該方法包括：使用一調變器，基於一電驅動信號來調變雷射光，以生一經調變光學信號及一互補經調變光學信號； 使用一光學有限脈衝回應(FIR)濾波器來對來自該調變器之該互補經調變光學信號進行濾波，以產生一經濾波光學信號；使用一旋轉器，旋轉來自該FIR之該經濾波光學信號以產生一經旋轉光學信號；組合來自該調變器之該經調變光學信號與來自該旋轉器之該經旋轉光學信號；及輸出該組合式光學信號。
  12. 如請求項11之方法，其中該光學FIR濾波器包含一單分接頭延遲與衰減濾波器。
  13. 如請求項12之方法，其中對該互補經調變光學信號進行濾波包括：將該互補經調變光學信號延遲一符號週期；及使該經延遲的互補經調變光學信號衰減以產生該經濾波光學信號。
  14. 如請求項13之方法，其包括使用一基於電吸收調變之裝置或一基於馬赫-陳爾德干涉之裝置之一者來使該經延遲的互補經調變光學信號衰減。
  15. 如請求項11之方法，其中該FIR濾波器包含一雙分接頭濾波器。
  16. 如請求項15之方法，其中對該互補經調變光學信號進行濾波包括：將該互補經調變光學信號分離成一第一信號及一第二信號；使該第一信號衰減以產生一第一經衰減信號； 將該第二信號延遲一符號週期；使該經延遲第二信號衰減以產生一第二經衰減信號；及組合該第一經衰減信號與該第二經衰減信號，以產生該經濾波光學信號。
  17. 如請求項11之方法，其中該FIR濾波器包含一個三分接頭濾波器。
  18. 如請求項17之方法，其包括：將該互補經調變光學信號分離成一第一信號、一第二信號，及一第三信號；使該第一信號衰減以產生一第一經衰減信號；將該第二信號延遲一符號週期；使該經延遲第二信號衰減以產生一第二經衰減信號；將該第三信號延遲兩個符號週期；使該經延遲第三信號衰減以產生一第三經衰減信號；及組合該第一經衰減信號、該第二經衰減信號及該第三經衰減信號，以產生該經濾波光學信號；及先藉由一符號週期延遲器來延遲該經調變光學信號，再組合該經調變光學信號與該經旋轉光學信號。
  19. 如請求項11之方法，其包括：將一電信號電預等化以供傳輸；放大該經預等化電信號以產生該電驅動信號；及 將該電驅動信號提供至該MZM。
  20. 如請求項19之方法，其中電預等化器係一個三分接頭電預等化器。
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