具有电光（E/O）调幅器的电光器件以及相关方法与流程

本发明涉及光传输系统领域，并且更特别地涉及用于光信号的多级调制的电光(E/O)调幅器及相关方法。

背景技术：

光传输系统通常基于光输入信号的直接调制或者外部调制。对于高速应用，外部调制是优选的。

光输入信号的外部调制涉及向由光源(诸如激光器)提供的连续波(CW)光信号施加电调制信号。电光调制器(诸如马赫-策德尔干涉仪(MZI))通常用于高速应用。

马赫-策德尔调制器控制光信号的幅度。输入导波被分为两个波导干涉仪臂。当跨波导臂之一施加电压时，针对该波导臂中的光信号引起相移。来自两个波导干涉仪臂的光信号然后被重新组合。改变相位调制路径上的电场确定两个光信号是否在输出处构造性地或破坏性地干涉，从而控制光输出信号的幅度或强度。

环辅助的马赫-策德尔干涉仪(RAMZI)与马赫-策德尔干涉仪具有相同的表现，但是使用环来修改相位。环可以是有源的或者无源的以修改相位。环辅助的马赫-策德尔干涉仪在每个波导臂中具有相同的功率，并且每个波导臂中的相位使用调制二极管来改变。相位差导致幅度调制。马赫-策德尔干涉仪中的环用于改善调制器的线性，其进而改善消光比。功率幅度的变化被视为副作用，其在环辅助的马赫-策德尔干涉仪中被减小。

作为马赫-策德尔调制器和环辅助的马赫-策德尔干涉仪的替代，美国专利号7,515,778中公开了分段光调制器。该光调制器包括用于动态地调节调制器内的光信号路径的有效长度的可调节驱动装置。每 个调制器臂被划分成多个分段，每个分段耦合到单独的电信号驱动器。每个调制器臂的有效长度将是在任何给定时间点针对每个臂被激活的驱动器的数目的函数。反馈装置可以与多个驱动器一起使用以通过测量作为光功率的函数的消光比并且相应地打开或关闭各个驱动器来动态地调节调制器的操作。

以上用于调制光输入信号的方法基于控制光波导臂之间的相位差，其产生光输出信号的幅度的差异。光波导臂通常必须足够长以便具有能够在马赫-策德尔调制器的输出处产生足够大以满足链路规定的比率P(bit1)/P(bit0)的相位差。这一比率被称为消光比。对于硅光子器件中使用的典型的PN调制二极管，最小长度在1.8V的电压处通常为3mm。这影响电光(E/O)器件的大小和紧凑性。虽然可以使用更先进的器件来产生更好的相位差，然而它们通常更复杂并且制作昂贵。

技术实现要素：

一种电光(E/O)器件，包括：具有输入以及第一和第二输出的第一非对称光耦合器；耦合到第一非对称光耦合器的第一输出的第一光波导臂；以及耦合到第一非对称光耦合器的第二输出的第二光波导臂。至少一个第一E/O调幅器可以耦合到第一和第二光波导臂中的至少一个光波导臂。第一光组合器可以在至少一个第一E/O调幅器的下游耦合到第一和第二光波导臂。

E/O器件不依赖于光波导臂之间的相位差来改变由第一光组合器提供的输出光信号的状态。相反，第一非对称光耦合器将在其输入处接收的光输入信号分为用于第一和第二光波导臂的第一和第二光信号，其中第一和第二光信号具有相等的相位但是处于不同的功率等级。这有利地使得能够通过改变第一和第二光波导臂中的至少一个光波导臂上的第一和第二光信号中的至少一个光信号的幅度来改变输出光信号的状态。

第一和第二光波导臂的长度可以缩短，因为第一和第二光波导臂 中的第一和第二光信号之间的相位差由于相位相等而不需要被确定。这有利地使得与依赖于这样的相位差以改变输出光信号的状态的E/O器件相比，该E/O器件的大小能够更小并且更紧凑。

E/O器件还可以包括耦合到第一非对称光耦合器的输入的光源，并且光源可以被配置成生成连续的光输入信号。E/O器件还可以包括耦合到第一和第二光波导臂中的至少一个光波导臂的至少一个光相位调节器。至少一个光相位调节器可以用于补偿由第一非对称光耦合器引入的任何相位差。

至少一个第一E/O调幅器可以包括光学环形调制器。光学环形调制器可以包括具有在5-10μm的范围内的半径的环。至少一个E/O调幅器可以包括耦合到第一光波导臂的第一光学环形调制器以及耦合到第二光波导臂的第二光学环形调制器。第一和第二光学环形调制器被配置成支持脉冲幅度调制(PAM)4，从而光输出信号具有4个不同状态。

第一非对称耦合器可以包括非对称多模式干涉(MMI)耦合器和非对称直流耦合器中的至少一项。第一光组合器可以包括对称组合器。对称组合器可以包括多模式干涉(MMI)Y型接头耦合器。

E/O器件还可以包括具有耦合到第一非对称耦合器的第二输出的输入并且具有第一和第二输出的第二非对称耦合器，第二非对称耦合器的第一输出耦合到第二光波导臂。第三光波导臂可以耦合到第二非对称耦合器的第二输出。至少一个第二E/O调幅器可以耦合到第三光波导臂。第二光组合器可以耦合到第一光组合器的输出并且在至少一个第二E/O调幅器的下游耦合到第三光波导臂。当第一、第二和第三光波导臂中的每个光波导臂具有耦合至其的相应E/O调幅器时，支持脉冲幅度调制(PAM)8，从而光输出信号具有8个不同状态。

E/O器件还可以包括具有输入以及第一和第二输出的第二非对称光耦合器、耦合到第二非对称光耦合器的第一输出的第三光波导臂、以及耦合到第二非对称光耦合器的第二输出的第四光波导臂。至少一个第二E/O调幅器可以耦合到第三和第四光波导臂中的至少一个光 波导臂。第二光组合器可以在至少一个第二E/O调幅器的下游耦合到第三和第四光波导臂。第三非对称光耦合器可以具有耦合到第一和第二非对称耦合器的相应输入的第一和第二输出。第三光组合器可以具有耦合到第一和第二组合器的相应输出的第一和第二输入。当第一、第二、第三和第四光波导臂中的每个光波导臂具有耦合至其的相应E/O调幅器时，支持脉冲幅度调制(PAM)16，从而光输出信号具有16个不同状态。

另一方面涉及一种用于使用如以上描述的电光(E/O)器件调制光输入信号的方法。方法包括：向第一非对称光耦合器的输入提供光输入信号以在第一非对称光耦合器的第一输出处提供第一光信号并且在第一非对称光耦合器的第二输出处提供第二光信号。方法还可以包括：使用耦合到第一和第二光波导臂中的至少一个光波导臂的至少一个第一E/O调幅器调制第一和第二光信号中的至少一个光信号的幅度；以及在调制第一和第二光波导臂中的第一和第二光信号中的至少一个光信号的幅度之后组合第一和第二光信号。

附图说明

图1是根据本发明的具有电光(E/O)调幅器的E/O器件的框图；

图2是图1中图示的E/O调幅器的一个示例的示意图；

图3是被配置成基于PAM 4调制提供光输入信号的多级调制的图1中图示的E/O器件的示意图；

图4是图示由图3中图示的E/O器件提供的光输出信号的多级状态的图；

图5是图1中图示的并且被配置成基于PAM 8调制来操作的E/O器件的另一实施例的框图；

图6是图5中图示的E/O器件的示意图；

图7是图1中图示的并且被配置成基于PAM 16调制来操作的E/O器件的又一实施例的框图；

图8是图7中图示的E/O器件的示意图；以及

图9是图示用于使用图1中图示的E/O器件调制光输入信号的方法的流程图。

具体实施方式

现在将在下文中参考示出本发明的优选实施例的附图更全面地描述本发明。然而，本发明可以用很多不同形式来实施，而不应当被理解为限于本文中所给出的实施例。相反，这些实施例被提供以使得本公开能够彻底和完整，并且向本领域技术人员全面地传达本发明的范围。相似的附图标记始终指代相似的元素，并且在替代实施例中撇符号来表示类似的元素。

初始参考图1，电光(E/O)器件10包括具有输入以及第一和第二输出的第一非对称光耦合器或分离器(splitter)14。第一光波导臂16耦合到第一非对称光耦合器14的第一输出。第二光波导臂18耦合到第一非对称光耦合器14的第二输出。第一E/O调幅器20耦合到第一光波导臂16，并且第二E/O调幅器22耦合到第二光波导臂18。第一光组合器28在第一和第二E/O调幅器20、22的下游耦合到第一和第二光波导臂16、18。

光源12耦合到第一非对称光耦合器14的输入。光源12可以是例如激光器，并且生成连续波(CW)光输入信号。

E/O器件10不依赖于光波导臂16、18之间的相位差来改变由第一光组合器28提供的输出光信号的状态。相反，第一非对称光耦合器14将在其输入处接收的光输入信号分为用于第一和第二光波导臂16、18的第一和第二光信号，其中第一和第二光信号具有相等的相位但是处于不同的功率等级。这有利地使得能够通过改变在第一和第二光波导臂16、18中的至少一个光波导臂上的第一和第二光信号中的至少一个光信号的幅度来改变输出光信号的状态。

E/O器件10可选地包括耦合到第一和第二光波导臂16、18中的至少一个光波导臂的至少一个光相位调节器24、26。在所说明的实施例中，每个光波导臂具有耦合至其的相应的光相位调节器。光相位调 节器24、26用于补偿由第一非对称光耦合器14引入的任何相位差。光相位调节器24、26可以单独操作以使得第一和第二光波导臂16、18中的每个光波导臂具有相同的状态，例如，这表示它们在相同的相位。

E/O器件10基于其中信息被编码在一系列光脉冲的幅度中的功率幅度调制(PAM)来操作。在所说明的E/O器件中，支持PAM 4，因为第一和第二波导臂16、18均具有其相应的E/O调幅器20、22。对于PAM 4，输出光信号在4个等级或状态之间变化。

替代地，E/O器件10可以被配置成通过在第一和第二波导臂16、18中的仅一个波导臂中具有单个E/O调幅器来支持PAM 2。PAM 2也称为非归零(NRZ)，因为输出光信号在2个等级或状态之间变化。

在基于光波导臂之间的相位差来调制光输入信号时，如在现有技术中，光波导臂通常必须足够长以便能够确定相位差。对于PN调制二极管，每个光波导臂通常需要3mm的最小长度。这影响电光(E/O)器件的大小和紧凑性。

在所说明的实施例中，第一和第二光波导臂16、18的长度可以缩短，因为第一和第二光波导臂之间的相位差由于相位相等而不需要被确定。第一和第二光波导臂16、18的长度可以是例如10-20μm。因此，与依赖于光波导臂中的相位差来改变输出光信号的状态的E/O器件相比，该E/O器件10的大小可以更小并且更紧凑。另外，E/O器件10的操作被简化，因为不需要确定第一和第二光波导臂16、18之间的相位差。

第一和第二E/O调幅器20、22可以被配置为光学环形调制器。光学环形调制器包括嵌入在环形谐振器中的调制二极管(PN、PIN等)。出于说明的目的，PIN调制二极管52包括形成在衬底54上的环形谐振器50，如图2所示。环50具有例如在5-10μm的范围内的半径R。偏置电压源56耦合到环形调制器件52用于通过施加偏置电压以动态地改变光波导内的光信号的幅度(其进而改变光信号的等级或状态)来控制环形调制器件52。

在其中使用硅作为光学介质的硅光子器件中，光学环形调制器可以被配置成在不同的波段操作。对于硅光子器件，被调制的光信号的波段可以是例如1260-1360nm(O波段)、1460-1530nm(S波段)和1530-1565nm(C波段)。然而，光学环形调制器不限于这些波段。光学环谐振器50具有多个谐振频率并且谐振地耦合环中的光，这一点本领域技术人员很容易理解。

现在参考图3和4，所说明的E/O器件10被配置成基于PAM 4调制提供光输入信号P_in的多级调制。以下讨论提供一系列等式以说明光波导臂16、18中的相位差没有变化。相反，光波导臂16、18中的光信号的功率等级改变以改变光输出信号P_out的等级或状态。

光学输入信号P_in的功率通过光波导分段PA1和PB1中的第一非对称光耦合器14非对称地划分。第一非对称光耦合器14可以是例如非对称多模式干涉(MMI)耦合器或者非对称直流耦合器。

光输入信号的功率基于划分比率α来划分。假定零损失，

P_in＝PA1+PB1

PA1＝α*P_in

PB1＝(1-α)*P_in

光学环形调制器20的输出PA2处的功率为bit1和输入功率的函数。类似地，光学环形调制器22的输出PA2处的功率为bit0和输入功率的函数。

PA2＝f(PA1,bit1)

PB2＝f(PB1,bit0)

当bit＝1时，功率为P₁，而当bit＝0时，功率为P₀。在光学环形调制器20、22之后，假定光信号的功率等级随着幅度线性变化：

Pring(1)＝k0*P_in

Pring(0)＝k1*P_in

PA2(bit1＝1)＝k1*α*P_in

PA2(bit1＝0)＝k0*α*P_in

PB2(bit2＝1)＝k1*(1–α)*P_in

PB2(bit2＝0)＝k0*(1–α)*P_in

P₁＝k1*P_in

P₀＝k0*P_in

在第一光组合器28的输出处，干涉仪等式为：

P_out＝PA2+PB2+(PA2*PB2)^1/2*cos(Ν1-Ν2)

N1为第一光波导臂16中的相位，以及

N2为第一光波导臂18中的相位。

第一光组合器28为对称组合器。对称组合器可以是例如多模式干涉(MMI)Y型接头耦合器。

为了在“0”功率和“1”功率之间具有四个线性间隔开的等级，选择α以及Ν1-Ν2。光学环形调制器20、22的操作不同于MZ调制器。在MZ调制器中，相位差在光组合器28的输出处产生幅度差。在所说明的实施例中，每个光波导臂16、18中的相位差不变。相反，光波导臂16、18中的相位相同，并且每个光波导臂中的功率不同。因此相位保持恒定但是幅度变化。

图4中提供图80，图80图示基于PAM 4调制的光输出信号P_out的四个不同输出等级或状态。4个不同的输出状态为'00、'01、'10和'11。用于PAM 4调制的E/O器件10的等式如下：

P(’11)＝α*P₁+(1–α)*P₁+(P₁*P₁)^1/2*cos(Ν1-Ν2)

P(’10)＝α*P₁+(1–α)*P₀+(P₁*P₀)^1/2*cos(Ν1-Ν2)

P(’01)＝α*P₀+(1–α)*P₁+(P₀*P₁)^1/2*cos(Ν1-Ν2)

P(’00)＝α*P₀+(1–α)*P₀+(P₀*P₀)^1/2*cos(Ν1-Ν2)

为了确保光波导臂16、18中的每个光波导臂中的相位相同，E/O器件可以包括用于每个光波导臂16、18的相位调节器24、26。相位调节器24、26是可选的，并且主要在非对称耦合器具有需要在两个光波导臂16、18之间消除的与其相关联的相移时需要。

现在参考图5和6，提供E/O器件10'的框图和示意图，其中添加第三光波导臂60'和第三E/O调幅器62'，使得E/O器件10'被配置成基于PAM 8调制来操作。

E/O器件10'还另外包括具有耦合到第一非对称耦合器14'的第二输出的输入并且具有第一和第二输出的第二非对称耦合器64'，其中第二非对称耦合器64'的第一输出耦合到第二光波导臂18'。第三光波导臂60'耦合到第二非对称耦合器64'的第二输出。第二光组合器66'耦合到第一光组合器28'的输出和第三光波导臂60'。第三光波导臂60'包括可选的光相位调节器。

现在参考图7和8，提供E/O器件10”的框图和示意图，其中添加第三光波导臂60”、70”以及第三和第四E/O调幅器62”、72”，使得E/O器件10”被配置成基于PAM 16调制来操作。

E/O器件10”还包括具有输入以及第一和第二输出的第二非对称光耦合器64”、耦合到第二非对称光耦合器64”的第一输出的第三光波导臂60”、以及耦合到第二非对称光耦合器64”的第二输出的第四光波导臂70”。第三E/O调幅器62”耦合到第三光波导臂60”。第四E/O调幅器72”耦合到第四光波导臂70”。第二光耦合器66”在第三和第四E/O调幅器62”、72”的下游耦合到第三和第四光波导臂60”、70”。具有第一和第二输出的第三非对称光耦合器74”耦合到第一和第二非对称耦合器14”、64”的相应输入。具有第一和第二输入的第三光组合器76” 耦合到第一和第二组合器28”、66”的相应输出。第三和第四光波导臂60”、70”包括可选的相位调节器68”、78”。

现在参考图9中图示的流程图100，讨论用于使用电光(E/O)器件10调制光输入信号的方法。E/O器件10包括：具有输入以及第一和第二输出的第一非对称光耦合器14；耦合到第一非对称光耦合器的第一输出的第一光波导臂16；以及耦合到第一非对称光耦合器的第二输出的第二光波导臂18。至少一个第一E/O调幅器20耦合到第一和第二光波导臂16、18中的至少一个光波导臂。第一光组合器28在至少一个第一E/O调幅器20的下游耦合到第一和第二光波导臂16、18。

从开始(框102)，方法包括在框104向第一非对称光耦合器14的输入提供光输入信号以在第一非对称光耦合器14的第一输出处提供第一光信号并且在第一非对称光耦合器14的第二输出处提供第二光信号。在框106使用耦合到第一和第二光波导臂16、18中的至少一个光波导臂的至少一个第一E/O调幅器20调制第一和第二光信号中的至少一个光信号的幅度。方法还包括在框108在调制第一和第二光波导臂16、18中的第一和第二光信号中的至少一个光信号的幅度之后组合第一和第二光信号。方法在框110结束。

本领域技术人员在得益于以上描述和相关联的附图中呈现的教示的情况下会想到本发明的很多修改和其他实施例。因此，应当理解，本发明不限于所公开的具体实施例，并且这些修改和实施例意图被包括在所附权利要求的范围内。