差分驱动马赫曾德强度调制器及方法与流程

本发明涉及光通信技术领域，具体是涉及一种差分驱动马赫曾德强度调制器及方法。

背景技术：

随着社会的不断进步和发展，人类对信息的需求量越来越大，从而使得现代社会信息数据量呈现指数式的爆发增长。光通信网络技术的迅猛发展为这一难题的解决提供了有效可靠的方案。

随着光通讯技术的不断发展，传输容量已经达到100T比特量级，网络建设中100G已经逐渐成为主流，甚至400G也有部分使用。在如此高速的光网络中，除了各种算法以外，高速电光调制器也是一个至关重要的因素。

高速电光调制器是构建高速光网络的器件基石，它负责整个光通信网络的电信号到光信号的转换。因此调制器的性能直接决定了整个光通信网络中传输的光信号质量。

目前，在长距大容量光通信系统中相干光通信技术被大量的采用，但是中短跨距以及数据中心的光互联系统之间使用相干系统，会使得系统复杂性和成本大幅提升。因此，受到成本的制约，中短距离光通信和数据中心之间的光互联一般使用强度调制和直接探测的技术方案。其中，PAM(Pulse Amplitude Modulation，脉冲幅度调制)因其具有高光谱效率的优势，而成为一种强度调制格式被广泛采用。然而，对于传统的强度调制器，在PAM调制格式下，发送端需要一个DAC(Digital-Analog Converter，数模转换器)芯片来产生加载到调制器上的射频信号，这种方案，会增加发送端的成本，尤其是高速大带宽的DAC芯片成本较高。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决在短跨距以及数据中心的光互联系统中，强度调制器需要DAC芯片来产生加载到调制器上的射频信号，造成发送端成本较高的问题，提供一种差分驱动马赫曾德强度调制器及方法，在无需DAC芯片的情况下，实现四级脉冲幅度调制，能降低发送端的复杂度，降低系统光通信系统的成本。

本发明提供一种差分驱动马赫曾德强度调制器，应用于短跨距以及数据中心的光互联系统中，该调制器包括差分驱动调制器、第一差分电信号驱动器、第二差分电信号驱动器、可调电信号衰减器和可调电延迟线，其中，差分驱动调制器包括差分正驱动电极和差分负驱动电极，差分正驱动电极和差分负驱动电极各对应一个调制臂，第一差分电信号驱动器与可调电信号衰减器连接，第二差分电信号驱动器与可调电延迟线连接，可调电信号衰减器、可调电延迟线均与差分驱动调制器连接，该调制器用于在无需DAC芯片的情况下，实现四级脉冲幅度调制，形成四级脉冲幅度调制PAM4光信号。

在上述技术方案的基础上，所述可调电信号衰减器、可调电延迟线与差分驱动调制器的差分正驱动电极或差分负驱动电极连接，具体连接方式有4种：

可调电信号衰减器连接到差分驱动调制器的差分正驱动电极上，可调电延迟线连接到差分驱动调制器的差分负驱动电极上；

可调电信号衰减器连接到差分驱动调制器的差分负驱动电极上，可调电延迟线连接到差分驱动调制器的差分正驱动电极上；

可调电信号衰减器、可调电延迟线均连接到差分驱动调制器的差分正驱动电极上；

可调电信号衰减器、可调电延迟线均连接到差分驱动调制器的差分负驱动电极上。

在上述技术方案的基础上，所述可调电信号衰减器的衰减值在3dB-9dB之间。

在上述技术方案的基础上，所述可调电信号衰减器的衰减值为6dB。

在上述技术方案的基础上，所述差分驱动马赫曾德强度调制器还用于替换光同相正交IQ调制器中的I路和Q路的强度调制器，在不需要DAC芯片的情况下，产生16正交幅度调制器QAM信号。

本发明还提供一种基于上述差分驱动马赫曾德强度调制器实现四级脉冲幅度调制的方法，应用于短跨距以及数据中心的光互联系统中，该方法包括以下步骤：

S1、第一差分电信号驱动器产生第一驱动信号，第二差分电信号驱动器同步产生第二驱动信号，可调电信号衰减器将第一驱动信号的电压峰值降低为第二驱动信号的一半，可调电延迟线将第二驱动信号的时序延迟，使得第二驱动信号的时序与第一驱动信号的上升沿或者下降沿在时间上同步；

S2、光信号由差分驱动调制器的输入端输入，输入的光信号经过衰减后的第一驱动信号和延迟后的第二驱动信号分别进行脉冲幅度调制，再线性叠加后输出，形成PAM4光信号。

在上述技术方案的基础上，所述可调电信号衰减器、可调电延迟线与差分驱动调制器的差分正驱动电极或差分负驱动电极连接，具体连接方式有4种：

可调电信号衰减器连接到差分驱动调制器的差分正驱动电极上，可调电延迟线连接到差分驱动调制器的差分负驱动电极上；

可调电信号衰减器连接到差分驱动调制器的差分负驱动电极上，可调电延迟线连接到差分驱动调制器的差分正驱动电极上；

可调电信号衰减器、可调电延迟线均连接到差分驱动调制器的差分正驱动电极上；

可调电信号衰减器、可调电延迟线均连接到差分驱动调制器的差分负驱动电极上。

在上述技术方案的基础上，所述可调电信号衰减器的衰减值在3dB-9dB之间。

在上述技术方案的基础上，所述可调电信号衰减器的衰减值为6dB。

本发明还提供一种基于上述差分驱动马赫曾德强度调制器产生16正交幅度调制器信号的方法，应用于短跨距以及数据中心的光互联系统中，该方法包括以下步骤：采用所述差分驱动马赫曾德强度调制器替换光同相正交IQ调制器中的I路和Q路的强度调制器，在不需要DAC芯片的情况下，产生16正交幅度调制器QAM信号。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)本发明利用差分驱动调制器的两个调制电极：差分正驱动电极和差分负驱动电极，通过幅度不同的信号驱动，并且施加驱动的电压峰值比例为2：1，同时直接使用两路差分信号来产生PAM4信号，能够显著提高效率，避免使用DAC芯片，在无需DAC芯片的情况下，实现四级脉冲幅度调制，形成PAM4(Pulse Amplitude Modulation 4，四级脉冲幅度调制)光信号。本发明对现有的强度调制器进行改进，利用一种简单的方案产生PAM信号，不需要对现有的驱动电路做出修改，从而降低发送端的复杂度，以降低系统光通信系统的成本。

(2)本发明有效地利用了差分驱动调制器的两个信号电极，不仅避免了浪费，还提高了工作效率，而且适用于短距光传输的直调直检系统和数据中心的光互联系统。

(3)本发明中的差分驱动马赫曾德强度调制器还可以用于替换光IQ调制器中的I路和Q路的强度调制器，这样，在不需要DAC芯片的情况下，很容易地实现16QAM信号的产生。

附图说明

图1是本发明实施例中差分驱动马赫曾德强度调制器的结构示意图。

图2为本发明实施例中只有差分正驱动电极处于工作状态时，差分正驱动电极上加载的时序脉冲序列示意图。

图3为本发明实施例中只有差分正驱动电极处于工作状态时，输出光信号的眼图。

图4为本发明实施例中只有差分负驱动电极处于工作状态时，差分负驱动电极上加载的时序脉冲序列示意图。

图5为本发明实施例中只有差分负驱动电极处于工作状态时，输出光信号的眼图。

图6为本发明实施例中差分正驱动电极和差分负驱动电极都处在工作状态时，差分正驱动电极和差分负驱动电极上加载的两路调制电信号的时序脉冲序列没对准的示意图。

图7为本发明实施例中差分正驱动电极和差分负驱动电极都处在工作状态时，差分正驱动电极和差分负驱动电极上加载的两路调制电信号同步的时序脉冲序列分布示意图。

图8为本发明实施例中差分正驱动电极和差分负驱动电极合成输出的PAM4光信号的PAM4电信号时序幅度分布示意图。

图9为本发明实施例中差分正驱动电极和差分负驱动电极合成输出的PAM4光信号眼图。

附图标记：1-差分驱动调制器，1a-差分正驱动电极，1b-差分负驱动电极，2-第一差分电信号驱动器，3-第二差分电信号驱动器，4-可调电信号衰减器，5-可调电延迟线。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1所示，本发明实施例提供一种差分驱动马赫曾德强度调制器，应用于短跨距以及数据中心的光互联系统中，该调制器包括差分驱动调制器1、第一差分电信号驱动器2、第二差分电信号驱动器3、可调电信号衰减器4和可调电延迟线5，其中，差分驱动调制器1包括差分正驱动电极1a和差分负驱动电极1b，差分正驱动电极1a和差分负驱动电极1b各对应一个调制臂，第一差分电信号驱动器2与可调电信号衰减器4连接，第二差分电信号驱动器3与可调电延迟线5连接，可调电信号衰减器4、可调电延迟线5均与差分驱动调制器1连接，该调制器用于在无需DAC芯片的情况下，实现四级脉冲幅度调制，形成PAM4(Pulse Amplitude Modulation 4，四级脉冲幅度调制)光信号。

本发明中的差分驱动马赫曾德强度调制器还可以用于替换光IQ(In-phase Quadrature，同相正交)调制器中的I路和Q路的强度调制器，这样，在不需要DAC芯片的情况下，很容易地产生16QAM(Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制器)信号。

本发明实施例还提供一种基于差分驱动马赫曾德强度调制器实现四级脉冲幅度调制的方法，应用于短跨距以及数据中心的光互联系统中，该方法包括以下步骤：

S1、第一差分电信号驱动器2产生第一驱动信号，第二差分电信号驱动器3同步产生第二驱动信号，可调电信号衰减器4将第一驱动信号的电压峰值降低为第二驱动信号的一半，可调电延迟线5将第二驱动信号的时序延迟，使得第二驱动信号的时序与第一驱动信号的上升沿或者下降沿在时间上同步；

S2、光信号由差分驱动调制器1的输入端输入，输入的光信号经过衰减后的第一驱动信号和延迟后的第二驱动信号分别进行脉冲幅度调制，再线性叠加后输出，形成PAM4光信号。

例如：加载在差分驱动调制器1的差分正驱动电极1a上的第一驱动信号为01011010，加载在差分驱动调制器1的差分负驱动电极1b上的第二驱动信号为20020020，由差分驱动调制器1输出的PAM4光信号为21031030。

可调电信号衰减器4的衰减值一般在3dB-9dB之间，特别是在衰减值为6dB时，较为接近本发明实施例中调制器的最佳工作状态。

可调电信号衰减器4、可调电延迟线5与差分驱动调制器1的差分正驱动电极1a或差分负驱动电极1b连接，具体连接方式有4种：

(1)可调电信号衰减器4连接到差分驱动调制器1的差分正驱动电极1a上，可调电延迟线5连接到差分驱动调制器1的差分负驱动电极1b上；

(2)可调电信号衰减器4连接到差分驱动调制器1的差分负驱动电极1b上，可调电延迟线5连接到差分驱动调制器1的差分正驱动电极1a上；

(3)可调电信号衰减器4、可调电延迟线5均连接到差分驱动调制器1的差分正驱动电极1a上；

(4)可调电信号衰减器4、可调电延迟线5均连接到差分驱动调制器1的差分负驱动电极1b上。

下面对本发明的工作原理进行详细说明。

只有差分驱动调制器1的差分正驱动电极1a处于工作状态时，第一驱动信号经过可调电信号衰减器4后，加载到差分驱动调制器1的差分正驱动电极1a上的时序脉冲序列示意图参见图2所示，相应工作状态下的输出光信号眼图参见图3所示。由于第一驱动信号经过了可调电信号衰减器4，使得电压峰值下降了一半为0.5Vpp，同时其光信号的眼图上显示消光比也下降了约一半。

只有差分驱动调制器1的差分负驱动电极1b处于工作状态时，第二驱动信号经过可调电延迟线5后，加载到差分驱动调制器1的差分负驱动电极1b上的时序脉冲序列示意图参见图4所示，相应工作状态下的输出光信号眼图参见图5所示，此时，第二驱动信号的电压峰值为Vpp。

本发明实施例同时在差分驱动调制器1的差分正驱动电极1a和差分负驱动电极1b上加载幅度不同的调制电信号：第一驱动信号和第二驱动信号，差分正驱动电极1a上加载的电压为差分负驱动电极1b上加载电压的一半；且差分正驱动电极1a上加载的调制电信号(第二驱动信号)的时序，与差分负驱动电极1b上加载的调制电信号(第一驱动信号)的上升沿或者下降沿在时间上同步；由于本发明实施例提供的差分驱动马赫曾德强度调制器是一个线性系统，光信号的整体响应相当于两个差分电极单独工作时响应状态的线性叠加。

在本发明实施例中，差分驱动调制器1的差分正驱动电极1a上加载的电压为差分负驱动电极1b上加载电压的一半，是通过对差分正驱动电极1a上的可调电信号衰减器4进行微调实现的，使得差分正驱动电极1a上的信号响应为差分负驱动电极1b上的信号响应的一半。

一般情况下，当差分驱动调制器1的差分正驱动电极1a和差分负驱动电极1b都处在工作状态时，差分正驱动电极1a、差分负驱动电极1b上加载的两路调制电信号的时序脉冲序列是没有对准的，参见如图6所示，因此，本发明实施例需要对差分负驱动电极1b的可调电延迟线5进行调节，直到调整到差分正驱动电极1a和差分负驱动电极1b的两路调制电信号的上升沿或者下降沿在时间上同步为止。

差分驱动调制器1的差分正驱动电极1a和差分负驱动电极1b上加载的两路调制电信号同步的时序脉冲序列分布参见图7所示，因为两者的时钟是一样的，所以只要有一个脉冲对齐，其它的就都对齐了。

差分驱动调制器1的差分正驱动电极1a和差分负驱动电极1b合成输出PAM4光信号，经过光电探测器得到的PAM4电信号时序幅度分布参见图8所示，对应的PAM4光信号眼图参见图9所示。

现在大量商用的差分驱动强度调制器一般采用差分正驱动电极和差分负驱动电极等进行幅度驱动。本发明实施例利用差分驱动调制器的两个调制电极：差分正驱动电极和差分负驱动电极，能够显著提高效率，且简单地产生PAM4信号。

本发明实施例中的差分驱动马赫曾德强度调制器在应用于强度调制时，可避免使用DAC芯片来产生PAM4信号，并且适用于短距光传输的直调直检系统以及数据中心的光互联系统。

另外，利用本发明实施例提供的差分驱动马赫曾德强度调制器分别替换光IQ调制器中的I路和Q路的强度调制器，可以在不需要DAC芯片的情况下，很容易地实现16QAM信号的产生。

本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。