提供具有主动载波跳频的波分多路复用光学通信系统的方法及设备与流程

本案是分案申请。该分案的母案是申请日为2013年6月26日、申请号为201380042257.7、发明名称为“提供具有主动载波跳频的波分多路复用光学通信系统的方法及设备”的发明专利申请案。

技术领域

本发明的实施例涉及补偿由于温度改变而引起的光子装置的操作改变的波分多路复用光学通信系统。

背景技术：

基于硅的集成电路一直用作微电子应用的平台。最近，随着速度、带宽及信号处理要求增加，光学系统现在也集成于基于硅的集成电路上。

因此，代替使用硅来促进电的流动或除了使用硅来促进电的流动以外，也使用硅来引导光的流动。虽然电的速度与光的速度相同，但光能够经由给定光学路径携载比电可经由给定电路径多的数据。因此，存在使用光作为数据载体的显著优点。此外，使用硅作为光学介质允许应用现有硅集成电路技术以及与所述现有硅集成电路技术的紧密集成。硅对具有高于约1.1微米的波长的红外光透明。对于电信波长，硅具有约3.45的折射率，而二氧化硅具有约1.44的折射率。此高折射率对比所提供的严格光学限制允许可具有仅几百纳米的横截面尺寸的显微光学波导，从而促进与当前半导体技术的集成。此外，可使用用于CMOS电路的现有半导体制作技术来制造硅光子装置，且由于硅已用作大多数集成电路的衬底，因此可形成其中将光学组件及电子组件集成到单个微芯片上的混合式装置。

实际上，可使用绝缘体上硅(SOI)技术或体硅技术来实施硅光子学。无论何种情形，为了使例如波导的硅光子组件与将所述硅光子组件制作于其上的晶片的下伏硅在光学上保持独立，必须具有介入电介质材料。此通常是具有远远低于处于所关注波长范围内的硅的折射率(约1.44)的电介质，例如硅石(二氧化硅)。硅也用于硅波导芯的顶部及侧上，从而在整个波导芯周围形成包层。此致使光在硅芯-硅石包层界面处的全内反射且因此所透射光留在硅波导芯中。

一种可经由波导光学链路传递大量数据的通信技术已知为波分多路复用(WDM)。图1中图解说明WDM系统中的数据传播的典型实例。如所展示，举例来说，光学发射系统100包含共同展示为110的多个硅波导110a…110n，每一硅波导110a…110n携载光学通信信道的数据。系统100包含共同展示为120的多个数据输入信道120a…120n，其中每一数据输入信道120a…120n以光脉冲的形式或作为电信号发射数据。为同时发射携载于所述多个数据输入信道120a…120n上的数据，由相应谐振光学调制器130a…130n将每一数据输入信道120a…120n中的数据调制到具有波长λ₁…λ_n的相应光学载波上。调制器130a…130n的输出形成相应光学传递信道。谐振光学调制器130a…130n共同展示为130。处于波长λ₁…λ_n的光学载波可通过高度精确温度控制激光源136供应到每一谐振光学调制器130a…130n。将从每一谐振光学调制器130a…130n输出的经调制光提供到相应波导110a…110n且然后由光学多路复用器140将来自波导110的输出多路复用到单个光学发射信道波导150中。然后沿着波导150将经多路复用光发射到端点(未展示)，在所述端点处将数据经调制光在由端点装置使用之前多路分用并解调。

可为环形调制器的谐振光学调制器130a…130n经设计以在其相应载波波长λ₁…λ_n下谐振。谐振光学调制器130a…130n具有谐振腔且由具有折射率的材料构成，谐振腔及材料两者均受温度改变影响。谐振光学调制器130a…130n的温度的改变致使其相应谐振频率改变且远离其相应载波波长λ₁…λ_n移动。因此，调制器130a…130n的调制指数降低，从而产生减少的信号对噪声比及减少的数据发射误差的可能性。因此，需要一种可适应于可负面地影响由谐振光学调制器将数据信号调制到光学通信信道上的温度或其它改变的WDM光学通信系统。

技术实现要素：

在一方面中，本申请涉及一种光学通信系统。所述光学通信系统包括：通信信道，其具有能够用数据来调制的至少两个载波波长；及用于所述通信信道的光学调制器，所述光学调制器包括各自用于用数据来选择性地调制与所述光学通信信道相关联的所述载波波长中的一者的至少第一谐振调制器电路及第二谐振调制器电路，所述第一谐振调制器电路具有处于所述光学通信信道的所述载波波长中的第一载波波长的谐振频率，且所述第二谐振调制器电路具有从所述光学通信信道的所述载波波长中的第二载波波长移位且与所述第二载波波长不谐振的谐振频率。

在另一方面中，本申请涉及一种光学通信系统。所述光学通信系统包括：光学通信信道，其具有至少两个相关联载波波长，其中至少一个载波波长正在发送数据；光学解调器，其耦合到所述光学通信信道，所述光学解调器包括至少两个光学解调器电路：用于解调与所述光学通信信道相关联的所述第一载波波长上的数据信号的第一光学解调器电路，及用于解调与所述光学通信信道相关联的所述第二载波波长上的光学信号的第二光学解调器电路；及切换电路，其与所述光学解调器相关联以选择与发送数据的所述载波波长对应的所述第一光学解调器电路及第二光学解调器电路中的一者来提供经解调输出数据。

在另一方面中，本申请涉及一种光学通信方法。所述光学通信方法包括：经由光学通信信道接收光学信号，所述光学通信信道包括至少两个载波波长，其中一个载波波长包含数据；使用至少两个解调器电路中的一者来解调所述数据，每一解调器电路能够与来自所述载波波长中的相应一者的数据谐振，并能够解调所述数据；及根据所述至少两个载波波长中的哪个载波波长包含数据而选择所述解调器电路中的哪个解调器电路将被用来解调所述数据。

附图说明

图1展示常规波分多路复用发射系统的实例；

图2展示根据本发明的实例性实施例的波分多路复用及多路分用系统；

图3A展示常规WDM光学通信系统信道结构的实例；

图3B展示可与图2实施例一起使用的WDM光学通信系统信道结构的实例；

图4图解说明温度改变如何影响图2实施例的调制器的一个实例；

图5图解说明检测谐振频率的改变且可与图2实施例一起使用的温度检测器的实例；

图6A图解说明检测调制器的谐振频率的改变且可与图2实施例一起使用的另一检测器的实例；

图6B图解说明眼图，所述眼图图解说明图6A检测器的操作；

图7A、7B及7C展示可用于图2实施例中的替代解调器的相应实例性实施例。

具体实施方式

本文中所描述的实例性实施例提供具有可被多路复用及多路分用的多个光学通信信道的波分多路复用(WDM)光学通信系统。所述WDM光学通信系统可部分或完全地集成到裸片上。每一光学通信信道具有至少两个间隔开的载波及数据调制器，所述数据调制器具有各自与相应载波相关联的至少第一及第二谐振光学调制器电路。第一谐振光学调制器电路具有处于其相应载波波长的谐振频率且第二谐振调制器电路具有从其相应载波波长偏移的谐振频率。当温度或其它改变致使第一谐振调制器电路的谐振沿与其相关联载波波长不谐振的方向移动时，相同温度或其它改变也将致使第二调制器电路的谐振频率沿朝向与其相关联载波波长谐振的方向移动。检测第一调制器电路何时与其相应载波波长不充分谐振及第二调制器电路何时与其相应载波波长充分谐振的检测器用以控制从第一调制器电路到第二调制器电路的数据调制的切换。因此，给定光学通信信道的数据切换到不同信道载波波长(其中所述不同信道载波波长由第二调制器电路可靠地调制)。

尽管本文中所描述及所图解说明的实施例采用每光学通信信道两个调制器电路及相关联载波波长，但此仅为实例，这是因为各自具有相应载波波长的两个以上谐振调制器电路可用于每一光学通信信道。此外，尽管参考致使调制器电路的谐振频率的改变的温度改变来描述实施例，但所述实施例并不限于仅对温度改变作出响应。所述实施例也可用于其中存在调制器电路的谐振频率的诱发改变的任何环境中。

从第一谐振光学调制器电路及相应载波波长到第二谐振光学调制器电路及相应载波波长的用于将光学通信信道上的数据发射于多路复用侧上的切换可经由现有光学通信信道或单独电通信信道传递到所述系统的多路分用侧。所述系统的多路分用侧使用切换信息来切换到新的经调制载波波长，并切换到相关联解调器以针对每一光学通信信道进行适当数据解调。所述切换信息在从多路复用侧上的第一谐振光学调制器电路切换到第二谐振光学调制器电路之前发射到多路分用侧，使得解调器可与调制器电路的切换同步切换。

图2图解说明实例性实施例中的WDM系统的多路复用侧10及多路分用侧12。多路复用侧10包含将至少两个载波波长提供到每一谐振光学调制器170a…170n的激光源101。谐振光学调制器170a…170n中的每一者含有至少两个不同的第一及第二光学调制器电路。对于谐振光学调制器170a，这些为光学调制器电路104、104a，对于光学调制器电路170b，这些为光学调制器电路108、108a，对于谐振光学调制器170n，这些为光学调制器电路113、113a。每一谐振光学调制器170a…170n输出是供应到相应波导110a…110n的相应光学通信信道。每一光学调制器170a…170n也接收相应数据输入作为可供应到给定调制器170a…170n内的第一及第二光学调制器电路中的每一者的DATA1、DATA2…DATAN。谐振光学调制器170a…170n的输出经由相应波导110a…110n供应到光学多路复用器140，所述光学多路复用器将波导110上的光学通信信道多路复用到波导142上，所述波导142将经多路复用光学通信信道发送到所述系统的多路分用侧12。

多路分用侧12包含用于将波导142上的信号多路分用的光学多路分用器147、用于经多路分用光学通信信道中的相应一者的多个波导172a…172n及用于将波导172a…172n上的所接收载波分别解调以将经解调数据供应为DATA1(输出)…DATAN(输出)的多个解调电路109a…109n。

在更详细地描述图2系统的操作之前，参考图3A及3B。图3A展示常规WDM系统中的光学通信信道载波间隔的实例。光学通信信道中的每一者图解说明为具有可调制的相应间隔开的波长(λ₁、λ₂…λ_n)115。在图2中所图解说明的实施例中，针对每一光学通信信道添加至少一个额外载波117。额外载波从相应图3A载波波长偏移且在图3B中展示为波长λ₁'、λ₂'…λ_n'。因此，至少两个载波115、117可供用于针对图2系统的多路复用侧10上的每一光学通信信道进行数据调制。

返回参考图2，激光源101受温度控制以提供稳定载波波长且可由一或多个受温度控制激光形成。激光源101针对每一光学通信信道提供图3B中所展示的至少两个载波波长。举例来说，与调制器170a相关联的光学通信信道具有提供到调制器170a的处于相应波长λ₁及λ₁'的两个载波。与调制器170b…170n相关联的其它光学通信信道中的每一者同样如此。应注意，尽管激光源101展示为具有到调制器170a…170n中的每一者的相应波导连接，但实际上也可存在来自激光源101的馈送到所有调制器170a…170n的处于所有载波波长的单个输出。调制器170a…170n将仅与其相关联光学通信信道的至少两个载波波长中的相应一者谐振且将数据调制到与所述至少两个载波波长中的相应一者上。

如所提及，每一调制器170a…170n包含经设计以与针对其相关联光学通信信道提供的两个载波中的仅一者谐振的至少第一及第二环形谐振器光学调制电路。因此，调制器170a含有各自经设计以与所述两个所供应载波(例如，λ₁(针对104)及λ₁'(针对104a))中的一者谐振的光学调制电路104及104a。同样地，调制器170b含有与载波λ₂(针对108)及λ₂'(针对108a)相关联的谐振电路108、108a，且调制器170n含有分别与载波λ_n(针对113)及λ_n'(针对113a)相关联的谐振电路113、113a。调制器170a…170n中的每一者中的两个调制器电路的谐振频率如此使得当两个谐振电路中的第一谐振电路(例如，104)在给定温度处与其相应载波(例如，λ₁)谐振时，另一谐振电路104a与其相应载波λ₁'不谐振，这是因为第二调制器电路104a远离其相关联载波λ₁'移位。

现在参考图4使用调制器170a的调制器电路104及104a作为实例来阐释载波与调制器170a…170n中的每一者中的调制电路的关系及温度改变对每一者的影响。图4图式展示存在于环境温度(表示为T＝To)处的布置。在此情形中，环形调制器电路104具有与信道载波波长λ₁良好对准的谐振频率λ_1a。因此，环形调制器电路104可将表示为DATA1的数据可靠地发射到载波波长λ₁上。然而，环形调制器104a的谐振频率λ_2a并不与其相关联载波λ₁'的波长对准且因此无法将数据DATA1可靠地调制到载波λ₁'上。此外，环形调制器104、104a中的每一者具有相应驱动器电路106、106a(图2)，所述相应驱动器电路106、106a由控制线111上的切换命令选择性地启用，使得一次仅一个环形调制器104、104a为作用的。在环境温度T＝To处，仅环形调制器电路104为作用的而调制器104a为非作用的。

当环形调制器电路104、104a的温度增加到T＝To+ΔT时，环形调制器104的谐振频率移位到处于波长λ_1b的谐振频率。在此谐振频率下，调制器104仍可与其相应载波λ₁谐振，但开始失去其与载波λ₁谐振的能力。然而，此相同温度改变还使环形调制器104a的谐振频率λ_2a移位到其中所述谐振频率λ_2a与处于λ₁'的其相应载波对准且现在可与处于λ₁'的其相应载波谐振的点。因而，在T＝To+ΔT的温度处，调制器104及104a两者能够用数据来调制其相应载波λ₁及λ₁'。

如果调制器电路104及104a的温度进一步增加到T＝To+2ΔT，那么第一环形调制器电路104失去其将数据可靠地调制到其相应载波λ₁上的能力而第二环形调制器104a仍然能够与其载波λ₁'谐振并将数据可靠地调制到其载波λ₁'上。

图4上的底部图表概述环形调制器104、104a相对于其在各种温度条件下与其相应载波λ₁及λ₁'谐振及将数据调制于其相应载波λ₁及λ₁'上的能力的操作状态。在介于T＝To与T＝To+2ΔT之间的预定温度处，将关断环形调制器104且将接通环形调制器104a以使得现在仅后者将传入数据(DATA1)调制到其相应载波λ₁'上。

所述切换点是其中指示两个调制器电路104、104a中的第一调制器电路104停止用数据来调制其相应载波λ₁且指示第二调制器电路104a开始用数据来调制其相应载波λ₁'的预定温度。此预定温度切换点可全局应用使得当检测到切换点温度时，所有环形调制器170a…170n各自将从其第一调制器电路同时移位到其第二调制器电路。由于调制器170a…170n可提供于共同集成电路裸片上，因此裸片温度检测器可共同用以确定所有调制器170a…170n的切换点。切换命令通过控制线111共同施加到所有调制器170a…170n。

图5图解说明可用以确定何时达到切换点并在控制线111(图2)上向调制器170a…170n发出对应切换命令的温度检测器电路。所述温度检测器电路包含具有连接到比较器134的一个输入的输出的温度传感器133，例如热敏电阻器。到比较器134的另一输入提供参考阈值，必须超过所述参考阈值才能供比较器134切换输出信号的值。此参考值可经选择以对应于针对待发出的切换命令必须达到的预定温度。图5还展示呈施密特(Schmitt)触发器形式的迟滞电路127，所述迟滞电路127在控制线111提供切换命令信号以针对所有调制器170a…170n控制从第一环形调制器电路到第二环形调制器电路的移位。

再次参考图2，调制器170a…170n内的环形调制器电路中的每一者包含用于借助相应输入数据(例如，DATA1、…DATAN)来驱动每一调制器170a…170n的第一及第二调制器电路的相关联驱动器电路106、106a；107、107a；115、115a。驱动器电路对来自图5电路的控制线111上的切换命令信号作出响应以控制从调制器170a…170n的第一调制器电路到第二调制器电路的切换。举例来说，驱动器电路106、106a控制从调制器170a的第一调制器电路104到第二调制器电路104a的切换。驱动器电路106、106a具有从控制线111接收切换命令的启用/停用输入线。驱动器电路(例如，106、106a)可为接收电数据输入的电路或接收光学数据输入的光学电路。对于针对调制器170a…170n中的每一者使用两个内部调制电路的系统，可由施密特触发器127在控制线111上供应“1”或“0”的逻辑值作为切换命令。

切换命令还需要传递到图2系统的多路分用侧12上的解调电路，以使得正将光学通信信道的特定载波(例如，λ₁、λ₁')解调的解调器知晓将哪一信道载波解调。切换命令可在多路复用侧10上的特定光学数据信道上发送到多路分用侧12。举例来说，图2实施例展示出于此目的使用调制器170n，这是因为波长切换命令可为输入DATAN的部分，但也可使用任何光学数据信道。或者，可使用单独电信道将切换命令从多路复用侧10发射到多路分用侧12。在从调制器170a…170n内的第一调制器电路到第二调制器电路的实际切换发生在多路复用侧10上之前发送切换命令以使得解调器知晓何时切换且可与调制器170a…170n同步切换。

图6A及6B展示用于在控制线111上提供切换命令信号的另一布置。图6A展示具有相应调制器电路104、104a及相关联驱动器电路106、106a的替代调制器170a’。光分接头124、124a可经提供与相应调制器电路104、104a的输出相关联以接收表示由相应调制器电路104、104a输出的光的小部分经调制光。光分接头124、124a与相应光电检测器125、125a连接。光电检测器125、125a的输出馈送到具有表示光电检测器125、125a所递送的特定信号功率电平的信号阈值的相应比较器126、126a。当调制器电路104的所检测功率下降到低于比较器126所设定的阈值时，此指示正失去谐振电路104与其相应载波λ₁的谐振。图6B展示表示调制电路的调制指数的眼图。当谐振电路104与其相关联载波λ₁完全谐振时，由功率值129所表示的高调制指数很明显。然而，当谐振电路104开始变得与其相关联载波λ₁不谐振时，根据调制器电路104的谐振频率相对于载波波长λ₁的移位量，功率减少且调制指数降低。此降低的调制指数由图6B中的功率值131表示。比较器125可用以确定何时实现降低的调制指数(举例来说，降低8dB的调制指数)，并提供指示应从第一调制电路104到第二调制电路104a发生切换的切换信号。迟滞电路127(例如施密特触发器)提供所述切换控制信号。

图6A也展示用于检测第二调制器电路104a与其相应载波λ₁'的谐振的失去的单独检测器，所述单独检测器包含分接头124a、光电检测器125a、比较器126a、施密特触发器及迟滞电路127a。此用以确定调制器170a…170n的温度何时已降低到其中应从将其载波λ₁'调制回的第二调制器电路104a到用于调制其载波λ₁的第一调制器电路104发生切换的点。图5温度检测器输出也可用以当所检测温度下降到低于由比较器134设定的切换阈值时从第二调制器电路104a切换回到第一调制器电路104。

返回参考图2，光学通信信道的载波由多路分用器147多路分用且经多路分用光学通信信道被提供于相应波导172a…172n上。.经多路分用光学通信信道中的每一者可具有针对与多路复用侧10上的调制器170a相关联的光学通信信道调制于通信信道的至少两个载波(例如，λ₁或λ₁')中的一者上的数据。相应波导172a…172n上的每一光学通信信道具有相关联解调器109a…109n，所述相关联解调器109a…109n中的每一者含有至少第一及第二宽带谐振环形解调器电路。举例来说，解调器109a包含用于将载波λ₁、λ₁'分别解调的第一及第二谐振环形解调器电路200、200a。同样地，解调器109b及109n分别具有解调器电路201、201a及205、205a。解调器电路200、200a；201、201a；205、205a中的每一者为宽带谐振环形解调器电路，所述解调器电路能够在原本将负面地影响调制电路(例如，104、104a)的宽温度改变范围内与相应载波谐振且将相应载波解调。

产生于多路复用器侧10上并发送到多路分用器侧12的切换命令告知解调器109a…109n对应于将针对对应光学通信信道调制的载波波长使用哪一内部解调电路。在于解调器109a…109n内发生从第一解调器电路(例如，200)到第二解调器电路(例如，200a)的移位之前，接收所述切换命令，将所述切换命令从传递其的通信信道(例如，解调器109n)解调出并在控制线113上将所述切换命令发送到所有解调器109a…109n以指示从第一内部解调器电路(例如，200)到第二内部解调器电路(例如，200a)的切换。每一解调器电路(例如，200、200a)具有相关联光分接头以接收经解调数据并将所述经解调数据传递到相应光电检测器(例如，针对解调器109a传递到123、123a，针对解调器109b传递到223、223a且针对解调器109n传递到323、323a)。相应光电检测器123、123a、223、223a、323、323a可由控制线113上的所接收切换命令接通或关断使得一次仅接通每一对中的一个光电检测器。

对于使用每一调制器170a…170n两个调制器电路的系统，可使用切换命令的一个逻辑状态(例如，“1”)来接通第一光电检测器(例如，123)同时关断第二光电检测器(例如，123a)。同样地，另一逻辑状态(例如，“0”)关断第一光电检测器123并接通第二光电检测器123a。解调器109a…109n中的每一者具有经组合以针对解调器109a提供数据输出信号(例如，DATA1(输出))的光电检测器(例如，123、123a)的输出。以此方式，将其相关联信道载波λ₁、λ₁'解调的解调器电路中的一者(例如，200、200a)经选择以针对其相关联光学通信信道提供数据输出信号(例如，DATA1(输出))。

图7A图解说明可在图2系统中用来代替解调器109a…109n的经修改解调器109’。此处，代替将光电检测器135及135a的输出组合，所述光电检测器输出保持分离。此外，使用线113上的切换命令来选择光电检测器135、135a中的一者或另一者用于输出。

图7B图解说明可在图2系统中用来代替解调器109a…109n的另一解调器109”。此处，解调器109”内的每一解调器电路是由成对的窄带环形解调器220、222及220a、222a形成。第一对环形解调器(例如，220、222)具有彼此稍微偏移的谐振频率，其中一者以光学通信信道的第一载波为中心且另一者从所述载波偏移。在图7B布置的情况下，如果温度改变足以使窄带环形解调器220的谐振移位成与载波λ₁不谐振，但所述温度改变尚不足以致使调制器170a…170n切换到载波λ₁'，那么解调器电路222移动成与第一载波λ₁更紧密谐振。在此情形中，环形解调器220及222两者的输出以光学方式组合并馈送到提供数据输出信号(例如，DATA1(输出))的单个光电检测器137。

第二解调电路也包含于解调器109”内且由第二对窄带环形解调器220a、222a形成。第二对窄带环形解调器220a、222a经布置使得环形解调器220a中的一者针对与调制器170a相关联的光学通信信道具有以通信信道的第二载波波长(例如，λ₁')为中心的谐振频率且其中另一环形解调器222a从所述载波波长稍微偏移。因此，如果所述光学通信信道正使用第二载波λ₁'，且存在使解调器电路220a的谐振远离载波λ₁'移动，解调器电路222a移动成与载波λ₁'谐振的温度改变，那么将环形解调器220a、222a两者的输出组合并发送到光电检测器137a。线113上的所接收切换命令用以选择光电检测器137、137a输出中的一者以提供输出数据(例如，DATA1(输出))。

图7C展示可在图2系统中使用的另一解调器109”’。解调器109”’类似于解调器109”。然而，不同于在其中成对的环形解调器220、222及220a、222a的光学输出以光学方式组合且然后发送到相应光电二极管137、137a的解调器109”中，在解调器109”’中，来自成对的窄带环形解调器220、222及220a、222a的光学信号直接发送到相应光电检测器137、137a。

虽然已描述并图解说明各种实施例，但此些实施例仅为可如何实践本发明的实例。因此，本发明不应视为受限于上述说明，而仅受限于所附权利要求书的范围。