一种脉冲幅度调制型电光调制器及系统的制作方法

本实用新型涉及通信技术领域，特别涉及一种脉冲幅度调制型电光调制器及系统。

背景技术：

随着大数据的日益普及，核心网传输带宽需求每年均有大幅度的提升，因此传输技术也需要进一步发展以适应这样的市场需求。当前进一步提升带宽的思路主要包括几个方面：一是进一步提升信号速率；二是增加传输链路的数量；三是在相同的时间窗口内增加信息量（提升同一个Symbol中携带的数据Bit数量）；脉冲幅度调制（PAM，Pulse Amplitude Modulation）调制码型格式就是用于在相同的时间窗口中增加信息量的一种方法。以太网802.3bj为100Gb/s的背板和线缆标准，使用的信号码型可以为NRZ码或者PAM4码。因为传输媒介为铜，带宽是有一定的限制的，所以如果使用NRZ码，速率难以做得非常高，而如果使用PAM4码型，每个Symbol中可以传输2个Bit位，所以能够在相同波特率情况下传输多一倍的数据信息。

要产生PAM4的光信号（4个光强度），目前业界有很多种实现方法。一种方法是利用两组不同幅度的OOK光信号进行线性叠加，产生具有4个不同幅度的光信号，也可以通过电的PAM4信号，在马赫-曾德尔调制器（Mach-Zehnder modulator，MZM）的电光响应曲线的线性区驱动该调制器，得到四个幅度的光信号。第一种方案需要两个电光幅度调制器来实现，第二种方案需要电的PAM4信号来驱动，这无疑增加了电信号发生电路设计的复杂度。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提出一种脉冲幅度调制型电光调制器及系统，该电光调制器配合相对简单的驱动电路使用，能产生PAM4光信号，以及更高阶的PAM16信号。

本实用新型采用的技术方案是：

一种脉冲幅度调制型电光调制器，包括光输入端、MZI结构、bias电极、上臂行波电极、下臂行波电极及光输出端；

其中，光从所述光输入端进入MZI结构后分为两路，对于第一路包括所述上臂行波电极，从MZI结构出来的第一路光进入上臂行波电极，第一路单极性NRZ驱动信号Sig.1通过上臂行波电极加载在MZI结构的上臂，使上臂产生相位响应，对于第二路包括所述bias电极和下臂行波电极，从MZI结构出来的第二路光通过bias电极后进入下臂行波电极，第二路单极性NRZ驱动信号Sig.2通过下臂行波电极加载在MZI结构的下臂，使下臂产生相位响应，从上臂行波电极、下臂行波电极出来的两路光从光输出端输出。

其中，所述上臂行波电极、下臂行波电极分别连接有终端匹配电阻。

其中，所述终端匹配电阻的阻值为40-60欧姆。

其中，所述上臂行波电极，包括上臂第一行波电极、上臂第二行波电极；所述下臂行波电极，包括下臂第一行波电极、下臂第二行波电极；

其中，光从所述光输入端进入MZI结构后分为两路，对于第一路包括所述上臂第一行波电极、上臂第二行波电极，从MZI结构出来的第一路光依次进入上臂第一行波电极、上臂第二行波电极，第一路单极性NRZ驱动信号Sig.1通过上臂第一行波电极加载在MZI结构的上臂，使上臂产生相位响应，第二路单极性NRZ驱动信号Sig.2通过上臂第二行波电极加载在MZI结构的上臂，使上臂产生相位响应，对于第二路包括所述bias电极和下臂第一行波电极、下臂第二行波电极，从MZI结构出来的第二路光通过bias电极后依次进入下臂第一行波电极、下臂第二行波电极，第三路单极性NRZ驱动信号Sig.3通过下臂第一行波电极加载在MZI结构的下臂，使下臂产生相位响应，第四路单极性NRZ驱动信号Sig.4通过下臂第二行波电极加载在MZI结构的下臂，使下臂产生相位响应，从上臂第二行波电极、下臂第二行波电极出来的两路光从光输出端输出。

其中，所述上臂第一行波电极、上臂第二行波电极、下臂第一行波电极、下臂第二行波电极分别连接有终端匹配电阻。

其中，所述终端匹配电阻的阻值为40-60欧姆。

其中，所述电光调制器为马赫曾德尔调制器。

一种脉冲幅度调制型电光调制器系统，包括上述所述的电光调制器、串并转换器、可调延时器、射频驱动、可调谐激光器及直流电源；

原始电信号通过串并转换电路转换成多路并行电信号，多路并行电信号经过可调延时器进行延时补偿，使得多路并行电信号能够同时到达电光调制器的行波电极；多路并行电信号的幅度通过射频驱动进行幅度放大之后加载在电光调制器相应的行波电极上，对电光调制器两臂的相位进行调制；电光调制器输入端连接可调谐激光器，电光调制器的bias电极连接直流电源，调节电光调制器的bias电极偏置电压，使其达到电光调制器的电光响应线性区，电光调制器输出PAM调制格式的光信号。

本实用新型具有如下优点：

1、相比于现有部分技术方案采取多个调制器来实现PAM调制光信号，本实用新型中仅仅采用了一个马赫曾德尔调制器结构，就实现了PAM调制光信号的调制，这使得调制器芯片的尺寸可以设计的更为紧凑，降低了芯片成本；

2、相比于采用PAM电信号来产生PAM光信号的方案，本实用新型没有将NRZ电信号转换成PAM4电信号的过程，大大降低了信号发生电路设计的复杂度和难度；

3、通过n级射频驱动产生2n个相位差，如果有足够宽的线性响应区域的调制器，本方案能够扩展成更高阶的PAM应用（PAM32,PAM64等）。

附图说明

图1是产生PAM4信号电光调制器的结构示意图；

图2是产生PAM16信号电光调制器的结构示意图；

图3是产生PAM4信号电光调制器的电光响应曲线；

图4是产生PAM16信号电光调制器的电光响应曲线；

图5是PAM电光调制器的连接光路和工作驱动电路框图；

图1中：

1：光输入端；2：光输出端；3：bias电极；4：MZI结构；5：上臂行波电极；6：下臂行波电极；7：终端匹配电阻；8：终端匹配电阻；

图2中：

9：光输入端；10：光输出端；11：bias电极；12：MZI结构；13：上臂第一行波电极；14：下臂第一行波电极；15：上臂第二行波电极；16：下臂第二行波电极；17~20：终端匹配电阻；

图5中：

21：原始电信号；22：串并转换器；23：可调延时器；24：射频驱动；25：可调谐激光器；26：直流电源；27：电光调制器；28：输出光信号。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型作出详细说明，实施例中，我们采用了铌酸锂调制器。

图1是产生PAM4信号电光调制器的结构示意图，如图4所示，本实用新型所述的一种脉冲幅度调制型电光调制器，包括光输入端1、MZI结构4、bias电极3、上臂行波电极5、下臂行波电极6及光输出端2；

其中，光从所述光输入端1进入MZI结构4后分为两路，对于第一路包括所述上臂行波电极5，从MZI结构4出来的第一路光进入上臂行波电极5，第一路单极性NRZ驱动信号Sig.1通过上臂行波电极5加载在MZI结构4的上臂，使上臂产生相位响应，对于第二路包括所述bias电极3和下臂行波电极6，从MZI结构4出来的第二路光通过bias电极3后进入下臂行波电极6，第二路单极性NRZ驱动信号Sig.2通过下臂行波电极6加载在MZI结构4的下臂，使下臂产生相位响应，从上臂行波电极5、下臂行波电极6出来的两路光从光输出端2输出。

PAM4电光调制器为单个马赫-曾德尔调制器，光从输入端1进入MZI结构（马赫-曾德尔干涉仪结构）4，第一路单极性NRZ驱动信号Sig.1通过上臂行波电极5加载在MZI结构4的上臂，使上臂产生（0，φ1）的相位响应，第二路单极性NRZ驱动信号Sig.2通过下臂行波电极6加载在MZI结构4的下臂，使下臂产生（0，φ2）的相位响应，上下两路的行波电极分别接上50欧姆的终端匹配电阻7和终端匹配电阻8。当两路同时加射频驱动时，两路的相位响应叠加在一起，相当于额外给马赫曾德尔调制器两臂加了相位差Δφ，Δφ可以取4个值（0，φ1，-φ2，φ1-φ2），设计时选择恰当的φ1和φ2的值，使Δφ的4个值呈等差数列，且该等差数列的最大最小值之差，刚好匹配调制器线性区的相位响应范围。此时，调节bias电极3的偏置电压，使马赫曾德尔调制器偏置点在线性区，此时由外界射频驱动产生的两臂的4种相位差，由马赫曾德尔调制器转换成4种不同的光强度输出，即输出PAM4信号。实施例中，我们先通过测量的手段得出了铌酸锂马赫曾德尔调制器的电光曲线，找出了其工作线性区起点对应的bias电极3偏置电压。射频驱动各通道的初始放大倍数初始值设定为设计值，通过调节射频驱动可以调节加载在各个行波电极上的射频信号幅度，通过该方法可以微调两个行波电极调制使调制臂产生相位变化φ1和φ2，使得输出的PAM4光信号在示波器上的各电平的间隔平衡。图3是PAM4电光调制器的电光响应曲线。

图2是产生PAM16信号电光调制器的结构示意图，如图2所示，本实用新型所述的一种脉冲幅度调制型电光调制器，包括光输入端9、MZI结构12、bias电极11、上臂行波电极、下臂行波电极及光输出端10；

所述上臂行波电极，包括上臂第一行波电极13、上臂第二行波电极15；所述下臂行波电极，包括下臂第一行波电极14、下臂第二行波电极16；

其中，光从所述光输入端9进入MZI结构12后分为两路，对于第一路包括所述上臂第一行波电极13、上臂第二行波电极15，从MZI结构12出来的第一路光依次进入上臂第一行波电极13、上臂第二行波电极15，第一路单极性NRZ驱动信号Sig.1通过上臂第一行波电极13加载在MZI结构12的上臂，使上臂产生相位响应，第二路单极性NRZ驱动信号Sig.2通过上臂第二行波电极15加载在MZI结构12的上臂，使上臂产生相位响应，对于第二路包括所述bias电极11和下臂第一行波电极14、下臂第二行波电极16，从MZI结构12出来的第二路光通过bias电极11后依次进入下臂第一行波电极14、下臂第二行波电极16，第三路单极性NRZ驱动信号Sig.3通过下臂第一行波电极14加载在MZI结构12的下臂，使下臂产生相位响应，第四路单极性NRZ驱动信号Sig.4通过下臂第二行波电极16加载在MZI结构12的下臂，使下臂产生相位响应，从上臂第二行波电极15、下臂第二行波电极16出来的两路光从光输出端10输出。

PAM16电光调制器为单个马赫-曾德尔调制器，光从输入端9进入MZI结构（马赫-曾德尔干涉仪结构）12，第一路单极性NRZ驱动信号Sig.1通过上臂第一行波电极13加载在MZI结构12的上臂，使上臂产生（0，φ1）的相位响应，第二路单极性NRZ驱动信号Sig.2通过上臂第二行波电极15加载在MZI结构12的上臂，使上臂产生（0，φ2）的相位响应，第三路单极性NRZ驱动信号Sig.3通过下臂第一行波电极14加载在MZI结构12的下臂，使下臂产生（0，φ3）的相位响应，第四路单极性NRZ驱动信号Sig.4通过下臂第二行波电极16加载在MZI结构12的下臂，使下臂产生（0，φ4）的相位响应，上下两路的行波电极分别接上50欧姆的终端匹配电阻17，终端匹配电阻18，终端匹配电阻19和终端匹配电阻20。当四路行波电极同时加射频驱动时，四路的相位响应叠加在一起，相当于额外给马赫曾德尔调制器两臂加了相位差Δφ，Δφ可以取16个值，设计时选择恰当的φ1、φ2、φ3、φ4的值，使Δφ的16个值呈等差数列，而且该等差数列的最大最小值之差，刚好匹配调制器线性区的相位响应范围。此时，调节bias电极11的偏置电压，使马赫曾德尔调制器偏置点在线性区，此时由射频驱动产生的两臂的16种相位差，由马赫曾德尔调制器转换成16种不同的光强度输出，即输出PAM16信号。实施例中，我们先通过测量的手段得出了铌酸锂马赫曾德尔调制器的电光曲线，找出了其工作线性区起点对应的bias电极11偏置电压。射频驱动各通道的初始放大倍数初始值设定为设计值，通过调节射频驱动可以调节加载在各个行波电极上的射频信号幅度，通过该方法来微调各个行波电极调制使调制臂产生相位变化φ1、φ2、φ3和φ4，使得输出的PAM16光信号在示波器上波形的各个电平间隔平衡。图4是PAM16电光调制器的电光响应曲线。

需要说明的是，利用本实用新型不仅可以产生PAM4信号，PAM16信号，通过增加行波电极的数量，还可以产生更高阶的PAM2N(N为大于4的整数)信号。

图5是PAM电光调制器的连接光路和工作驱动电路框图，如图5所示，本实用新型所述的一种脉冲幅度调制型电光调制器系统，包括上述所述的电光调制器27、串并转换器22、可调延时器23、射频驱动24、可调谐激光器25及直流电源26；

原始电信号21通过串并转换电路22转换成多路并行电信号，多路并行电信号经过可调延时器23进行延时补偿，使得多路并行电信号能够同时到达电光调制器27的行波电极；多路并行电信号的幅度通过射频驱动24进行幅度放大之后加载在电光调制器27相应的行波电极上，对电光调制器27两臂的相位进行调制；电光调制器27输入端连接可调谐激光器25，电光调制器27的bias电极连接直流电源26，调节电光调制器27的bias电极偏置电压，使其达到电光调制器27的电光响应线性区，电光调制器27输出PAM调制格式的光信号。

实施例中我们测试了PAM4和PAM16两种调制器，产生PAM调制光信号的过程，主要包括如下步骤：

步骤1、将高速的串行原始电信号21（32G NRZ电信号，幅值700mV vpp）通过串并转换电路22，转换成多路并行电信号（PAM4电光调制器采用两路16G NRZ电信号驱动，PAM16电光调制器采用四路8G NRZ电信号驱动）；

步骤2、多路并行电信号经过可调延时器23进行延时补偿，使得多路并行电信号能够同时到达电光调制器27的行波电极，实施例中我们通过眼图的质量来判断并行电信号之间相位是否补偿到0 ps；

步骤3、多路并行电信号的幅度通过射频驱动24进行幅度放大之后（放大倍数的初始值为预先的设计值）加载在电光调制器27相应的行波电极上，对电光调制器27两臂的相位进行调制；

步骤4、电光调制器27输入端连接可调谐激光器25，电光调制器27的bias电极连接直流电源26，bias电极电压设定为电光调制器27电光曲线线性区的起点偏置电压值；

步骤5、电光调制器27输出端接采样示波器；微调电光调制器27的bias电极偏置电压，使其精确达到电光调制器27的电光响应线性区，进一步微调射频驱动24的驱动幅值和可调延时器23的时延值，使PAM眼图质量达到最好，此时，电光调制器27正常输出PAM调制格式的输出光信号28；

虽然本实用新型已经详细示例并描述了相关的特定实施例做参考，但对本领域的技术人员来说，在阅读和理解了该说明书和附图后，在不背离本实用新型的思想和范围特别是上述装置实施的功能上，可以在装置形式和细节上作出各种改变。这些改变都将落入本实用新型的权利要求所要求的保护范围。