本公开涉及光学调制器的领域，更具体地涉及马赫-曾德尔调制器(MZM)的领域。
背景技术：
也称为马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的马赫-曾德尔调制器(MZM)是基于由光学耦合器组合的两个异相光学信号之间的干涉的光学调制器。特别地，光学耦合器的每个输出分支中的光学功率将取决于耦合器输入处的光学信号之间的相位差的量。
为了提供光学信号之间的可变相位差，已经提出通过施加偏置电压的二极管传播光学信号，每个光学信号的相位偏移随所施加的电压电平而变化。以这种方式，可以使用施加到二极管的电压信号来产生调制光学信号。
在接收机处的光学信号的成功解调将取决于光学信号的消光比，换句话说，光学信号的不同电平之间的光强度的差异。在现有的MZM中，为了提供足够高以获得良好消光比的、光学信号之间的相位差，通常需要提供相对较长的二极管，例如长度在2mm-3mm之间。然而，使用相对较长的二极管在表面积和能量消耗方面具有缺点。此外，尽管已经提出实现具有反馈路径以便在一定程度上增加消光比的环形调制器，但是期望进一步增加消光比和/或降低这种调制器的能量消耗。
因此，本领域中需要一种光学调制器，其允许使用减小长度的二极管，同时保持所得光学信号的相对高的消光比。
技术实现要素：
本申请的目的就在于解决上述现有技术中的问题。
根据一个方面，提供了一种马赫-曾德尔环形调制器，其特征在于，包括：第一光学路径，包括第一二极管，所述第一二极管被配置为响应于电压信号修改通过所述第一光学路径传输的第一光信号的相位；第二光学路径，包括第二二极管，所述第二二极管被配置为响应于所述电压信号修改在所述第二光学路径中传播的第二光信号的相位，其中所述电压信号在反向偏置电压电平和正向偏置电压电平之间是可变的；第一光学耦合器，被配置为将所述第一光信号和所述第二光信号提供给所述第一光学路径和所述第二光学路径；第二光学耦合器，被配置为耦合所述第一光学路径和所述第二光学路径；和反馈路径，耦合在所述第二光学耦合器的输出和所述第一光学耦合器的输入之间。
根据一个实施例，马赫-曾德尔环形调制器还包括驱动电路，所述驱动电路被配置为产生所述电压信号，所述电压信号具有高于0V且低于所述第一二极管和所述第二二极管的阈值电压的150％的正向偏置电压电平。
根据一个实施例，所述驱动电路还被配置为产生具有负过冲或正过冲之一的所述电压信号。
根据一个实施例，所述过冲紧接在所述电压信号从所述反向偏置电压电平转变到所述正向偏置电压电平之后发生，并且具有所述正向偏置电压脉冲持续时间的5％至75％的持续时间。
根据一个实施例，所述驱动电路还被配置为产生具有正过冲和负过冲二者的所述电压信号。
根据一个实施例，所述第一光学路径包括第一另外的二极管，所述第一另外的二极管被配置为响应于第一偏置电压而向所述第一光信号引入10°和90°之间的相位偏移。
根据一个实施例，马赫-曾德尔环形调制器还包括控制电路，所述控制电路被配置为基于所述第二光学耦合器的第一输出信号将所述第一偏置电压提供给所述第一另外的二极管。
根据一个实施例，所述第二光学路径包括第二另外的二极管，所述第二另外的二极管被配置为响应于第二偏置电压而向所述第二光信号引入10°和90°之间的相位偏移，并且其中所述控制电路被配置为基于所述第二光学耦合器的第二输出信号将所述第二偏置电压提供给所述第二另外的二极管。
根据一个实施例，所述第一二极管和所述第二二极管中的每个具有在50μm和1000μm之间的长度。
根据一个实施例，所述反馈路径包括至少一个波导，其中所述至少一个波导的组合长度不超过所述第一二极管和所述第二二极管中每个的长度的两倍。
根据一个实施例，所述反馈路径包括至少一个二极管，其中所述至少一个二极管的组合长度不超过所述第一二极管和所述第二二极管中每个的长度的两倍。
根据另一方面，提供了一种光学链路装置，其特征在于，包括：马赫-曾德尔环形调制器，包括：第一光学路径，包括第一二极管，所述第一二极管被配置为响应于电压信号修改通过所述第一光学路径传输的第一光信号的相位；第二光学路径，包括第二二极管，所述第二二极管被配置为响应于所述电压信号修改在所述第二光学路径中传播的第二光信号的相位，其中所述电压信号在反向偏置电压电平和正向偏置电压电平之间是可变的；第一光学耦合器，被配置为将所述第一光信号和所述第二光信号提供给所述第一光学路径和所述第二光学路径；第二光学耦合器，被配置为耦合所述第一光学路径和所述第二光学路径；和反馈路径，耦合在所述第二光学耦合器的第一输出和所述第一光学耦合器的输入之间；和光学通道，耦合到所述第二光学耦合器的第二输出。
根据又一方面，提供了一种马赫-曾德尔环形调制器，其特征在于，包括：第一光学路径，包括具有第一长度的第一相位修改二极管；第二光学路径，包括具有第二长度的第二相位修改二极管；第一光学耦合器，被配置为向所述第一光学路径提供第一光信号并且向所述第二光学路径提供第二光信号；第二光学耦合器，被配置为耦合来自所述第一光学路径和所述第二光学路径的输出；反馈路径，被耦合在所述第二光学耦合器的输出和所述第一光学耦合器的输入之间，其中所述反馈路径具有不超过所述第一长度的两倍或所述第二长度的两倍的总波导长度。
根据一个实施例，马赫-曾德尔环形调制器还包括驱动电路，所述驱动电路被配置为产生用于施加到所述第一相位修改二极管和所述第二相位修改二极管的电压信号，所述电压信号响应于数据信号而在反向偏置电压电平和正向偏置电压电平之间是可变的。
根据一个实施例，所述电压信号具有负过冲。
根据一个实施例，所述负过冲紧接在所述电压信号从所述反向偏置电压电平转变到所述正向偏置电压电平之后发生。
根据一个实施例，所述负过冲具有所述正向偏置电压电平的脉冲持续时间的5％至75％的持续时间。
根据一个实施例，所述电压信号具有正过冲。
根据一个实施例，所述正过冲紧接在所述电压信号从所述反向偏置电压电平转变到所述正向偏置电压电平之后发生。
根据一个实施例，所述正过冲具有所述正向偏置电压电平的脉冲持续时间的5％至75％之间的持续时间。
根据本申请的方案，能够提供允许使用减小长度的二极管、同时保持所得光信号的相对高的消光比的光学调制器。
附图说明
通过以下参考附图的示例性而非限制的实施例的详细描述，上述以及其它特征和优点将变得显而易见，其中：
图1示意性地示出了根据示例性实施例的马赫-曾德尔调制器(MZM)；
图2是示出根据示例性实施例的、图1的MZM的每个输出分支的输出发送功率随相位偏移变化的曲线图；
图3是示出根据示例性实施例的、由马赫-曾德尔(MZ)二极管施加到光学信号的相位偏移随反向电压变化的示例的曲线图；
图4示意性地示出了根据已经提出的实施例的MZI耦合环形调制器；
图5示意性地示出了根据本公开的示例性实施例的MZ环形调制器；
图6是表示在图5的MZ环形调制器中光学信号的输出功率随相位偏移变化的曲线图；
图7A示意性地示出了根据示例性实施例的MZ二极管；
图7B是示出根据示例性实施例的、MZ二极管中流动的电流随所施加的电压变化的曲线图；
图8A至图8F是表示根据本公开的示例性实施例的图5的MZ环形调制器中的信号的时序图；
图9A和图9B是表示标准MZ环形调制器和图5的MZ环形调制器中调制电压和输出电压的示例的时序图；
图10A和图10B是表示图5的MZ环形调制器中具有变化的过冲持续时间的调制电压和相应的输出电压的示例的时序图；
图11A和图11B是表示图5的MZ环形调制器中没有过冲的调制电压和具有正过冲和负过冲的调制电压以及相应输出电压的示例的时序图；和
图12示意性地示出了根据替代示例性实施例的图5的MZ二极管。
具体实施方式
术语“大约”在本文中用于指定所讨论的值的正或负10％的范围。
图1示意性地示出了根据已经提出的实施例的马赫-曾德尔调制器(MZM)100。MZM 100包括具有二极管102的光学路径P1和具有二极管104的光学路径P2。二极管102、104分别被电压信号V1(t)和V2(t)偏置。二极管102、104被用于在光学路径P1、P2中的光学信号之间引入变化的相位差，并且这种二极管在本文中将被称为MZ(马赫-曾德尔，Mach-Zehnder)二极管。光源信号经由光学耦合器106被提供给MZ二极管102和104，光学耦合器106向具有π/2弧度相位差的光学路径P1、P2提供光学信号。相位修改器件108被耦合到MZ二极管102和104的输出，并且在没有由MZ二极管102、104施加的任何相位差的情况下，在光学路径之间产生π/2弧度的默认相位偏移。例如，光学器件108包括分别被配置为引入+π/4和-π/4的相位偏移的二极管110、112。光学耦合器114耦合在二极管110和112的输出处的光学路径P1、P2的光学信号以产生输出光学信号Pout和其中之一提供可以通过光学链路(图1中未示出)传送到接收机的MZM 100的调制输出信号。
图2是表示图1的MZM 100的输出光学信号Pout和的功率随由光学路径P1、P2引入的光学信号之间的相位差变化的曲线图。如图所示，当不施加电压信号V1(t)、V2(t)时，由光学路径引入的光学信号之间的默认相位差大约为π/2弧度，换句话说，大约为90°。在该相位差处，输出功率在输出信号Pout和之间基本上等分。如图2中的箭头202所示，当相位差变得低于π/2弧度时，光输出信号Pout的功率朝着表示组合光学信号Pout、的全功率的值1增加，并且当相位差变得高于π/2弧度时，光学信号Pout的功率朝向值0减小。
输出功率Pout与由光学路径P1、P2引入的光学信号之间的相位差之间的关系对应于Pout～cos2其中k是表示模2π的整数。由每个MZ二极管102、104引入的相位偏移可以通过以下表达式来确定：
其中λ0是光学信号的波长，Δn是由电压变化引起的二极管材料的折射率的变化，l是二极管的长度。
图3是示出施加到MZ二极管的反向偏置电压(反向偏置)与穿过二极管的光学信号的以每毫米度数的所得相位偏移(相位偏移)之间的关系的示例的曲线图。例如，约2V的反向偏置电压导致大约9度的相位偏移。因此，为了实现调制器的光学路径P1、P2中的光学信号之间的+/-30°的相位差图1的实施例中的MZ二极管102、104各自具有大约3mm的长度。
为了提高调制光信号的消光比，已经提出了提供具有反馈路径的MZM，现在将参照图4更详细地描述。
图4示意性地示出了MZI耦合环形调制器400，并且基本上再现了Guoliang Li等人的出版物(题为“Ring resonator Modulators in Silicon for Interchip Photonic Links”，见IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，Vol.19，No.6，2013年11月/12月)的图7，其公开内容在法律允许的程度上通过引用被并入于此。
调制器400包括：输入光学耦合器，在其输入之一处接收输入光学信号(输入)；以及输出光学耦合器，在其输出之一处提供输出光学信号(输出)。输入光学耦合器和输出光学耦合器通过形成MZI的臂的一对波导L2、L3耦合在一起。包括另外的波导L1的反馈路径将输出光学耦合器的另一输出耦合到输入光学耦合器的另一输入。环形调制器的环形谐振被调谐到施加至调制器的激光的波长。当两个MZI臂为异相时，实现输出信号为高的导通状态，使得有效的环形总线耦合接近于零。当有效的环形总线耦合接近临界耦合时，可以实现断开状态。
尽管在与图1的MZM相比时，图4的环形耦合器可能能够提供更高的消光比，但是期望进一步增加消光比和/或降低消耗。
图5示意性地示出了根据本公开的示例性实施例的MZ环形调制器500。调制器500包括光学路径P1、P2和P3。光学路径P1、P2分别包括都由偏置电压信号V(t)控制的二极管502、504，这些二极管在此被称为MZ二极管。MZ二极管是本领域中称为HSPM(高速相位调制)二极管的二极管，其允许相对快速地修改光学信号的相位。如图5所示，MZ二极管502、504中的每个可以由几个二极管并联电连接来实现，每个二极管由电压信号V(t)驱动。形成每个MZ二极管502、504的二极管沿着对应的光学路径P1、P2布置，使得光学信号穿过每个二极管。MZ二极管502、504中的每个例如具有在50μm和1000μm之间的沿其光学路径的长度L。
电压信号V(t)由驱动电路505基于将由光学调制器调制的数据信号D产生。
光学路径P1、P2由光学耦合器506提供，光学耦合器506具有两个输入，其中一个接收来自激光源508的光学信号，另一个耦合到作为反馈路径的路径P3。
MZ二极管502、504的输出耦合到光学耦合器512，光学耦合器512提供经调制的输出信号Pout和输出信号Pout经由输出元件514被发送到光学接收器(未示出)。输出信号被提供给反馈路径P3，反馈路径P3包括一个或多个波导516。在图5的示例中，在反馈路径P3中串联耦合有两个波导516。波导的总长度例如不超过每个MZ二极管502、504的长度的两倍。例如，每个波导516的长度L'小于每个MZ二极管502、504的长度L。通常，反馈路径的长度越短，响应越好。此外，反馈路径引入60°以下的相位偏移。虽然在图5中未示出，但是在备选实施例中，波导516可以被其它类型的光学器件替代，该其它类型的光学器件例如PINPM(P-本征-N相位调制)二极管。
在一些实施例中，光学路径P1、P2中的一个或两者还包括另外的二极管。特别地，路径P1包括位于MZ二极管502和光学耦合器512之间的二极管518和/或路径P2包括位于MZ二极管504和光学耦合器512之间的二极管519。二极管518、519例如是具有比HSPM二极管慢的响应时间的PINPM二极管。二极管518、519对相应光学路径P1、P2中的光学信号引入10°和90°之间的相位偏移，并且例如大约45°。当单独提供二极管518时，它在光学路径P1、P2之间产生不对称。两个二极管518和519的使用允许器件的特定校准，以便修改反馈光学信号的功率水平。
尽管在图5的实施例中，二极管518、519分别位于MZ二极管502、504和光学耦合器512之间，但是在备选实施例中，其任一个或两者可以位于相应光学路径P1、P2中的其他位置，例如，分别在光学耦合器506和MZ二极管502、504之间。
在一些实施例中，光学耦合器(未示出)适于将光学信号的功率的一小部分转移到光学接收器(也未示出)，该光学接收器将该信号转换成电压以提供反馈信号VFB。该反馈信号被提供给控制电路(CTRL)520，该控制电路适于基于该反馈信号调整二极管518的偏置电压VBIAS。
附加地或备选地，光学耦合器(未示出)适于将光学信号Pout的一小部分功率转移到光学接收器(也未示出)，该光学接收器将该信号转换成电压以提供反馈信号VFB'。该反馈信号被提供给控制电路520，控制电路520适于基于该反馈信号调整二极管519的偏置电压VBIAS'。在控制电路520接收到反馈信号VFB和VFB'两者并且产生两个偏置电压VBIAS和VBIAS'的情况下，这允许器件的特定校准，以便修改反馈光功率水平。特别地，这提供了用于调整功率水平的自由度，允许温度效应和/或路径失配的校正。
现在将参考图6更详细地描述图5的MZ环形调制器500的操作。
图6是表示根据示例性实施例的光学耦合器512的输出信号Pout和的功率随该光学耦合器的输入处的光学信号之间的相位偏移变化的曲线图。这些信号的组合功率基本上等于由激光源508提供的输入功率。在光学路径P1、P2中的信号之间没有相位差的情况下或当相位差等于180°时，功率在输出信号Pout和之间等分。当存在π/2弧度即90°的相位偏移时，基本上所有的功率都被提供在信号Pout中。当存在3π/2弧度即270°的相位偏移时，基本上所有的功率都被提供在信号中。
另一方面，在示例性实施例中，当MZ二极管502、504被正向偏置使得MZ输出信号Pout为低时，选择包括耦合器506和512的输出路径P1、P2处的相位和在路径P3中引入的相位偏移，以使较高比例的输出信号被提供给信号另一方面，当MZ二极管502、504被反向偏置使得MZ输出信号Pout为高时，选择该相位以引起在信号Pout和中的基本等量的输出功率。
图7A示意性地示出了根据示例性实施例的图5的MZ二极管502。电压信号V(t)被施加在阴极和阳极之间的二极管两端。MZ二极管504以与MZ二极管502相同的方式被偏置。
在一些实施例中，施加到MZ二极管502、504的电压信号V(t)在负电压电平和正电压电平之间变化，使得这些二极管被正向和反向偏置。如果二极管被反向偏置，换句话说，二极管上施加的电压信号V(t)为负，则在二极管中将存在载流子耗尽，导致增加的相位延迟。如果二极管被正向偏置，换句话说，二极管上施加的电压信号V(t)为正，则在二极管中将存在载流子注入，导致较高的吸收，从而允许输出处的低值。现在将参照图7B更详细地描述。
图7B是示出通过每个MZ二极管502、504的电流I随电压变化的曲线图。电压信号V(t)在等于-VR的反向偏置电压704和等于VT的正向偏置电压706之间变化，其中VT是MZ二极管的阈值电压，例如等于0.5V和1V之间。除了正向偏置电压706处于VT，其可以处于VT的80％和VT的150％之间的电平处，例如大约VT的90％。反向偏置电压-VR等于例如-1V和-3V之间，例如大约-1.8V。
图8A至图8F是表示在不存在二极管518和519的情况下图5的调制器的操作示例的时序图。
图8A示出了施加到MZ二极管502、504的电压信号V(t)的反向-V(t)的示例。特别地，图8A中的正电压对应于反向偏置电压，图8A中的负电压对应于正向偏置电压。电压信号-V(t)在1.7V的反向偏置电平和-0.8V的正向偏置电平之间转变。图8A假设使用NRZ(不归零)调制方案，并且信号在发送“0”位的正向偏置电平和发送“1”位的反向偏置电平之间切换。此外，紧接在电压从反向偏置电平到正向偏置电平的每个转变之后，施加持续时间Tos的正向偏压过冲。该过冲例如为在0.1V和0.8V之间，并且例如为大约0.5V。持续时间Tos为例如在信号V(t)的相应正向偏置脉冲的持续时间的5％至75％之间。
图8B表示恰好在耦合器512之后的反馈路径P3上的光学功率，以及可从MZ调制器500获得的光学功率Pout。图8C表示恰好在光学耦合器512之前、即在MZ二极管502、504的输出处的MZ调制器500的光输出功率，并且图8D表示恰好在光学耦合器506之后、即在MZ二极管502、504的输入处的路径P1和P2中的光学功率。可以看出，输出路径和反馈路径二者中的光学功率由施加到二极管502、504的偏置电压进行调制，当电压信号V(t)处于反向偏置电平时，该功率为高，并且当电压信号V(t)处于正向偏置电平时，该功率为低。实际上，正向偏置状态导致增加的吸收。
图8E表示在光学耦合器512之前、即在MZ二极管502、504的输出处的路径P1、P2中的光学信号的相位，并且图8F表示在光学耦合器506之后、即在MZ二极管502、504的输入处的光学信号的相位。路径P1、P2中的每个信号的相位变化随着信号V(t)(特别是正向偏置)而变化。然而，输出耦合器512之前的大部分相位差取决于由反馈器件516和输入耦合器506引入的相位偏移。如图8E所示，当MZ二极管502、504被正向偏置时，光学耦合器512的输入信号具有大约60°的相位差902，允许经由反馈路径返回光学功率，或者当MZ二极管502、504被反向偏置时，光学耦合器512的输入信号具有大约180°的相位差904，允许将功率的量大致分成两份。
图9A和图9B是说明在图5的调制器中施加导致MZ二极管502、504的反向偏置和正向偏置的信号V(t)的优点的时序图。图9A示出了电压信号-V(t)，图9B示出了输出光学信号Pout的所得功率。图9A和图9B中的虚线示出了其中仅施加反向偏置而没有过冲的示例。图9A和图9B中的实线示出了其中施加有过冲的反向偏置和正向偏置的示例。可以看出，对于相对较小的功率消耗增加，通过使用正向偏置和过冲，信号Pout的输出电平之间的振幅变化可以增加一倍以上。
图10A和图10B是说明改变过冲的持续时间Tos的影响的时序图。图10A示出施加到MZ二极管502、504的信号-V(t)的示例，其中过冲具有5ps、10ps、15ps、20ps和25ps的持续时间。图10B示出了所得的对输出光学信号Pout的影响。随着过冲持续时间增加，输出信号Pout具有明显更高的振幅。
图11A和图11B是示出对电压信号-V(t)施加过冲的优点的时序图。在图11A的例子中，实线示出了电压信号-V(t)不具有过冲的情况，虚线表示电压信号-V(t)具有约0.5V的负过冲和正过冲二者的情况。正向偏置电平的负过冲具有大约20ps的持续时间Tos，并且反向偏置电平的正过冲具有大约10ps的持续时间。更一般来说，持续时间Tos可以是几ps和几十ps之间的任何时长。持续时间Tos的选择取决于数据速率和二极管参数。如图11B所示，当施加过冲时，输出光学信号Pout的振幅显著增加。
本发明人已经发现，尽管MZ二极管502、504的长度相对较短，但是图5的MZ环形调制器能够提供相对较高的消光比。例如，已经发现，相比于假设二极管110和112的长度均为250μm并且HSPM二极管102、104的长度均为2520μm的图1结构的大约5.3dB的消光比，提供其每个长度大约300μm的MZ二极管502、504并且使用反向偏置和正向偏置可以在25Gb/s NRZ的数据速率下实现超过6.2dB的消光比。
尽管已经结合两电平调制方案描述了图5的实施例，但是在备选实施例中，可以使用额外的调制电平，提供PAM 4调制或更高调制，如现在将参照图12所描述的那样。
图12示意性地示出了根据备选实施例的允许实施PAM 4调制的MZ二极管502。特别地，MZ二极管502通过由电压信号VA(t)控制的MZ二极管502A和由电压信号VB(t)控制的MZ二极管502B来实现。二极管502A大约是二极管502B的长度的两倍。MZ二极管504以类似的方式实现并由相同的信号控制。因此可以通过使用特定的驱动信号来驱动二极管502B和502A而实现不同的调制电平。
虽然图12提供了PAM 4实现的一个示例，但是其他解决方案也可以用于控制二极管502、504的动态电压。
在如此描述了至少一个说明性实施例后，本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。例如，虽然关于图5描述了MZ调制器的特定示例，但是对于本领域技术人员显而易见的是，可以对该电路应用各种修改，包括添加其它组件。
此外，虽然已经关于图12描述了PAM 4调制方案的示例，但是对于本领域技术人员来说显然知道如何将其扩展到PAM 8或PAM 16调制方案。