阅读说明：本技术 采用多模干涉耦合器的光信号相位调制器 (Optical signal phase modulator using multi-mode interference coupler ) 是由 F·彼得斯 S·达根 于 2019-07-17 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用于输出调制信号的光学系统和方法,该光学系统包括单个多模干涉(MMI)装置,该MMI装置具有配置有固定相位的至少两个输入端,和输出端,其中通过调制至少一个输入端的输入功率来控制输出调制信号。本发明仅需要单个MMI装置来操作,因为两个输入端之间的相对相位相对于彼此是固定的,并且其中一个输入端可以用于通过调制单个输入端处的功率来调制输出。在进一步的实施例中,本发明示出了如何通过单个MMI装置来设置正确的相位。因此,不需要两个以上的MMI装置与相位或幅度调制元件配合,来完全产生BPSK信号或QPSK信号。(The present invention provides an optical system and method for outputting a modulated signal, the optical system comprising a single multi-mode interference (MMI) device having at least two inputs configured with a fixed phase, and an output, wherein the output modulated signal is controlled by modulating the input power at least one of the inputs. The invention requires only a single MMI device to operate because the relative phase between the two inputs is fixed with respect to each other and one of the inputs can be used to modulate the output by modulating the power at the single input. In a further embodiment, the invention shows how the correct phase can be set by a single MMI device. Thus, there is no need for more than two MMI devices to cooperate with phase or amplitude modulation elements to fully generate BPSK signals or QPSK signals.)

采用多模干涉耦合器的光信号相位调制器

技术领域

本公开涉及一种相位调制器以及幅度调制器。

背景技术

日益增长的通信需求意味着需要更快、更高效的技术来确保进一步增加带宽。几十年前，当使用简单的开关键控(OOK)时，电气有线和无线通信已达到了极限。取而代之的是相位调制技术以及增加并行信道。一直以来光通信采用OOK，但近来已积极转向先进的调制技术，尤其是在长距离光纤通信中。

目前，这些先进的调制技术需要使用相位调制器，尤其是无所不在的马赫-曾德尔调制器(MZM)。马赫-曾德尔调制器相对较大，通常不太节能，并且对激光器的材料要求有很大不同，这使得激光器与马赫-曾德尔调制器的集成既昂贵又充满挑战。在短距离数据通信中，诸如垂直腔面发射激光器(VCSEL)等直接调制幅度的激光器比集成有马赫-曾德尔调制器的激光器便宜很多。

与激光器集成一起的马赫-曾德尔调制器(MZM)需要非常不同的半导体材料，由此产生的问题是将两个部件集成在一起需要复杂的材料和制造过程，从而需要定制的制造设备，这增加了结构成本。

一种可能的解决方案是由具有多模干涉(MMI)装置、星形耦合器和相位部分的多个吸收调制器制成的调制器。授予Alcatel Lucent等人的欧洲专利公开号EP2 908 449中公开了另一种解决方案。该专利公开文件描述了串联设置的至少三个主多模干涉仪，这些主多模干涉仪设置成结合地将接收到的具有初始相位状态的光信号转换成具有最终相位状态的最终光信号，该最终相位状态与该初始相位状态相差累积相移，该累积相移选自包括的组，并且取决于由这些调制器执行的强度调制。因此，需要额外的相位调整才能正常工作。然而，由于这些部件的数量和复杂性导致较大的固有插入损耗，实施这些解决方案并不实际。

因此，本公开的目标是提供一种相位调制器系统来克服至少一个上述问题。

发明内容

根据本发明的第一方面，如所附权利要求书所述，提供了一种用于输出调制信号的光学系统，该光学系统包括单个多模干涉(MMI)装置，该MMI装置具有至少两个输入端和至少一个输出端，其中该至少两个输入端之间的相对相位被固定在给定的相位差，使得可通过调制该至少两个输入端中的至少一个输入端的输入功率，来控制输出调制信号。

本发明仅需要单个MMI装置来操作，因为两个输入端之间的相对相位相对于彼此是固定的，并且其中一个输入端可以用于通过调制单个输入端处的功率来调制输出。在进一步的实施方案中，本发明显示了如何通过单个MMI装置来设置正确的相位。因此，不需要两个以上的MMI装置与相位或幅度调制元件配合来完全产生BPSK或QPSK信号。本发明提供了另一个优点，即如果将调制器插入激光腔中，则可以回收大部分的光功率。与在激光器之后而不是在激光器内使用这种或等效BPSK或QPSK相比，这使得发射器的效率更高。本发明提供了一种与半导体激光器兼容的调制器。这意味着可以在标准的商业制造设备中使用激光器所需的相同外延材料来制造调制器，并且不需要复杂的制造工艺或外延再生长。与MZM解决方案相比，本发明具有极大简化的结构，因此产量明显更高，成本也更低。本发明也明显小于MZM解决方案。

本发明可以添加至激光器或者结合到激光谐振器中，以提供能够产生相位调制信号的低成本发射器。

相位调制器可以结合在激光腔内，这解决了现有解决方案的插入损耗问题。因此，本发明所描述的装置可以用于产生光通信系统所需的高级调制信号。

在一个或多个实施例中，该MMI装置的至少两个输入端的相位由第二多模干涉(MMI)装置设置。

在一个或多个实施例中，通过在谐振器内耦接多模干涉装置来设置该MMI装置的至少两个输入端的相位。

在一个或多个实施例中，相位设置包括基于已形成的相位关系应用该MMI装置的传递函数的相位相关性。

在一个或多个实施例中，这些MMI利用相同或相似长度的波导耦接在一起，产生正确的相位条件，以从输出波导产生二进制相移键控(BPSK)信号。值得注意的是，尽管BPSK通常包括幅度相同和相位不同的两种可能状态，但是本文所描述的BPSK调制器允许不同的幅度状态，从而允许产生脉冲幅度调制(PAM)信号。

在一个或多个实施例中，这些MMI利用两个连接臂耦接在一起，两个连接臂分别被偏置，使得连接臂中的增益改变该MMI装置的输出，然后输入到第二MMI装置中，使得输出调制信号是BPSK信号或正交相移键控(QPSK)信号。值得注意的是，本文所描述的QPSK调制器可以用于产生更高阶的正交幅度调制(QAM)信号。

在一个或多个实施例中，第一连接臂和第二连接臂形成连接回路L₁和L₂；第二MMI装置具有至少两个输出端；并且其中通过将第二MMI装置的其中一个输出端环回到该MMI装置的第一输入端或第二输入端中的一个中来产生谐振，以通过连接回路L₁和L₂调制光来产生BPSK信号。

在一个或多个实施例中，该MMI装置包括三个输入端和三个输出端，其中两个输出端环回到相应的输入端以形成两个独立的反馈回路并形成谐振。

在一个或多个实施例中，该系统配置成改变两个独立反馈回路上的偏置，并且MMI装置的输出可以使其自身的相位产生偏移，以产生BPSK信号。

在一个或多个实施例中，这些MMI利用两个或两个以上的波导耦接在一起，其中每个波导的长度相对于相邻的波导增加固定的长度，以产生相位条件，从而从输出波导产生BPSK信号或QPSK信号。

在一个或多个实施例中，该MMI装置包括四个输入端和四个输出端，并且配置成高反镜，其中两个输出端环回在一起以形成内回路，并且两个输出端配置成形成外回路。

在一个或多个实施例中，如果内回路(L_内)和外回路(L_外)中的功率相同，那么高反镜将反射回所有的信号。

在一个或多个实施例中，对内回路和外回路中的功率进行调制，以在输出波导上产生BPSK信号。

在一个或多个实施例中，该光学系统总共包括至少四个输入端，四个输入端中的每一个输入端的相位相对于其他输入端中的每一个输入端是固定的。

在一个或多个实施例中，该MMI装置包括四个输出端，并且每个输出端耦接到第二MMI装置的相应输出端。

在一个或多个实施例中，其中一个输出端配置成环回为输入端以形成激光腔。

在一个或多个实施例中，输出调制信号是以下信号中的至少一个：BPSK(二进制相移键控)信号；QPSK(正交相移键控)信号；或者更高阶的PAM(脉冲幅度调制)或QAM(正交幅度调制)信号。

根据本发明的第二方面，提供了一种输出光调制信号的方法，包括以下步骤：提供具有至少两个输入端和至少一个输出端的多模干涉(MMI)装置；将第一输入信号提供给至少两个输入端中的第一输入端，并将第二输入信号提供给至少两个输入端中的第二输入端，其中至少两个输入端之间的相对相位被固定在给定的相位差，以具有固定的相位；调制第一输入端和第二输入端中至少一个输入端的输入功率，以在MMI装置的至少一个输出端产生调制信号。

在另一个实施例中，提供了一种用于输出调制信号的光学系统，该光学系统包括多模干涉(MMI)装置，该MMI装置具有至少两个输入端，和输出端，该至少两个输入端配置有固定相位，其中通过调制至少一个输入端的输入功率来控制输出调制信号。

还提供了一种计算机程序，该计算机程序包括用于使计算机程序执行上述方法的程序指令，这些程序指令可能体现在记录介质、载波信号或只读存储器上。

以上讨论的每个可选特征可以同等地应用于本发明的第一方面和第二方面。

附图说明

参考附图，从下面仅以示例方式给出的实施方案的描述中，将能更清楚地理解本发明，其中：

图1示出了2×2多模干涉(MMI)装置和BPSK信号的产生；

图2示出了4×4多模干涉(MMI)装置和QPSK信号的产生；

图3示出了根据一个实施例的基于两个2×2MMI装置的BPSK调制激光谐振器；

图4示出了根据一个实施例的基于一个3×3MMI装置的BPSK调制激光谐振器；

图5示出了配置成高反镜的单个4×4MMI装置；

图6示出了利用长度增加的波导耦接在一起的两个4×4MMI装置，以提供QPSK调制器；以及

图7示出了根据本发明的另一实施例的基于两个4×4MMI装置的QPSK调制激光谐振器。

具体实施方式

本发明提供了一种N×M多模干涉耦合器(MMI)，其中N﹥1。本发明可用于通过设置MMI耦合器的N个输入信号的相位以及接着调制N个MMI耦合器输入端的输入功率，来产生相位调制信号。可以采用多种方法来设置正确的输入端相位，包括使用第二MMI耦合器，或者通过将该MMI耦合器结合到谐振器中，如下面关于多个实施例更详细描述的那样。

本发明提供了一种用于产生相移键控信号(输出变化180°的PSK)、正交相移键控信号(输出变化90°的QPSK)或具有其他角度(例如，60°)的替代调制的系统和方法。将脉冲幅度调制(PAM)信号添加到QPSK装置将产生正交幅度调制信号(QAM)。

单个多模干涉装置(MMI)可用于产生高级相干调制信号，如：BPSK(二进制相移键控)、QPSK(正交相移键控)和更高阶的QAM(正交幅度调制)。这是通过利用基于形成的相位关系的MMI装置的传递函数的相位相关性来实现的，以实现本发明。

为了将基本概念解释得最清楚，以2×2多模干涉装置和产生BPSK信号为例，如图1所示，总体由附图标记1表示。为了解释该原理，可以忽略传递函数中的公因子，这样进行解释仅需要2×2矩阵(等式1)：

可以采用等式2来根据多模干涉装置(E₁)的输入计算多模干涉装置(E₂)的输出：

如果假设有第一输出波导输入值a₁和b₁的调制将产生二进制相移键控(BPSK)输出，前提是输入b₁的相位从a_1.偏移90°。例如：

这样，如果对输入a₁和b₁进行调制，则输出信号的电场在|a₁|>|b₁|时将具有正值，并且在|a₁|<|b₁|时将具有负值(表示180°相移)。

类似地，如果输入d₁从a₁偏移-90°，则可以从输出b₂产生BPSK信号。

图2示出了由附图标记2表示的4×4多模干涉(MMI)装置和QPSK信号产生；为了产生正交信号(即：QPSK信号)，需要两个以上的输入。这样，考虑图2中的4×4MMI装置。该多模干涉装置的简化传递函数如下面的等式4给出：

这样，输出波导中的信号可以由等式5计算：

可以为任何输出产生正交相移键控(QPSK)信号，前提是输入信号具有适当的相位。例如，当使用第一输出时，如果输入场之间存在以下相位关系，则可以产生QPSK信号：

输出信号的同相部分通过调制输入b₁和c₁产生，而输出信号的正交部分通过调制输入a₁和d₁产生。可以在每个输出波导上产生QPSK信号，前提是设置了正确的输入端相位。然后，可以通过在输入信号上应用两个以上的调制电平来产生更高阶的QAM信号。

一般来说，任何N×M MMI装置都可以采用该方法来产生BPSK、QPSK或QAM信号，前提是使用了正确的输入信号相位。以上两个实例说明了操作的物理原理。

相位条件可以使用附加的MMI装置来设置，或者通过在谐振器内连接MMI装置来设置。以下提供了本发明的几个实施例，其中在装置内产生了正确的相位。

实施例1：基于两个2×2MMI装置的BPSK调制激光谐振器

图3示出了如何将两个2×2MMI装置10、11耦接在一起，并且两个连接臂被偏置，使得连接臂中的增益，改变第一MMI装置10的光输出，然后输入到第二MMI装置11中，使得产生的输出是BPSK。通过将第二MMI装置11的其中一个输出端12a环回到第一MMI装置10的其中一个输入端中来产生谐振。通过调制通过连接回路12b(示为L₁和L₂)的光来产生BPSK信号。

实施例2：基于3×3MMI装置的BPSK调制激光谐振器

图4示出了基于由附图标记20表示的镜像对称1×2MMI装置的3×3MMI装置构造。MMI装置20可以使其非中心端口22和23环接在一起以形成谐振。中心端口21可以用作输出端。通过改变回路臂22、23上的偏置，可以使得MMI装置21的输出的相位产生偏移，以产生BPSK信号。

实施例3：基于4×4MMI装置回路的BPSK镜

图5示出了单个4×4MMI装置30，该4×4MMI装置可以配置成具有激光谐振器驱动输入端31的高反镜。如果内回路32(L_内)和外回路33(L_外)中的功率相同，则高反镜会将所有的光反射回来(忽略波导和MMI装置的损耗等)。如果对内回路和外回路中的功率进行调制，则会在输出波导34上产生BPSK信号。

实施例4：QPSK调制器

图6示出了两个4×4MMI装置40、41，这两个MMI装置利用位于MMI装置40的输出端(E1)处的长度增加的波导耦接在一起。如果每个波导都有180度或π弧度的附加相位变化，则可以获得正确的相位条件。然后，从上波导或下波导输出QPSK信号。该信号可以通过在MMI装置41的一个或多个输出端上对连接直波导进行调制来产生。

实施例5：基于两个4×4MMI装置的QPSK调制激光谐振器

图7示出了4×4MMI装置，该4×4MMI装置配置成具有多个输出端52、54，这些输出端环接在一起，以形成有效的两个耦接4×4MMI装置50和51。然后，其中一个输出端53可以环回为输入端以形成激光腔。然后，另一个输出端可以用作信号输出端。当改变连接臂上的偏置时，可以产生QPSK信号。

实施例6：无啁啾直接调制激光器输出实施例

直接调制激光器有一个显著的弱点，即频率啁啾。当开关激光器时，有源腔中载流子密度的变化导致折射率发生变化，从而导致激光输出频率发生变化，这不是所希望的，并且限制了这些激光器的使用。

本发明提供了一种针对激光器啁啾的解决方案。图3、4和7基于激光谐振器。如果调制回路长度(L₁→L₄)以推挽方式进行调制，则激光器的谐振器部分中的总功率是恒定的，并且可以消除频率啁啾。例如，在图4中，如果用等式3描述BPSK状态，其中a₁和b₁此时表示回路L₁和L₂的输出MMI装置处的功率，则两个BPSK输出将由等式7得出：

a₂(0)＝|a₁(0)|-|b₁(0)| (7)

a₂(1)＝|a₁(1)|-|b₁(1)|

而继续通过谐振器的功率将是：

b₂(0)＝|a₁(0)|+|b₁(0)| (8)

b₂(1)＝|a₁(1)|+|b₁(1)|

如果谐振器中的功率是恒定的，那么：b₂(0)＝b₂(1)。调制产生这种情况的a₁和b₁将消除谐振器中的啁啾。最简单的解决方案是设置：

|a₁(0)|＝|b₁(1)|,|a₁(1)|＝|b₁(0)| (9)

这是推挽调制，因为两个信号都被调制。

应当理解的是，如果不需要无啁啾调制，则对于BPSK信号只需要调制一个信道，而对于QPSK信号只需要调制两个信道。然后，其中一个输入波导的功率可以保持恒定。

本发明还提供了精确的相位调制，相当于马赫-曾德尔调制器。由传递函数描述的MMI装置的基本特性需要精确的相位输出。例如，当考虑实施例1时，第一MMI装置为第二MMI装置精确地设置正确的相位。然后，第二MMI装置确保输出端将具有BPSK信号所需的偏移180度的相位。

应当理解的是，与现有技术相比，本发明的解决方案提供了紧凑的物理上较小的解决方案。一个典型的基于III-V族半导体的马赫-曾德尔调制器是采用通过相位调整臂联接的两个2×2MMI装置而制成。这些相位调整臂通常必须为1mm至2mm长，以产生马赫-曾德尔调制器操作所需的相位变化。相比之下，上述实施方案1中描述的简单BPSK调制器采用非常短的吸收调制器臂来连接两个MMI装置。这些短臂通常为0.05mm至0.2mm长。对于大约0.3mm长的2×2MMI装置，这意味着典型的基于半导体的马赫-曾德尔调制器将是1.6mm至2.6mm长，而实施例1中描述的BPSK调制器将是0.65mm至0.8mm长，即为马赫-曾德尔调制器尺寸的25％至50％。采用硅材料的本发明的尺寸优势更显著，因为采用硅材料的MZM相位调整臂比采用III-V族材料的MZM相位调整臂长得多，而MMI装置通常明显更短。

本文所述的实施例可以由任何合适的波导材料制成。例如，这些波导可以由硅或二氧化硅制成。波导可能是掩埋式或非掩埋式波导。当装置中的波导用于将功率调制引入系统时，其必须能够(至少沿其部分长度)进行幅度调制。这种幅度调制可以采取电或光吸收的形式，并且可以由本领域已知的任何合适的效应(例如，斯塔克效应、弗朗兹·凯尔迪什效应、量子阱/量子点)产生。

参考附图描述的本发明的实施例包括计算机设备和/或在计算机设备中执行的步骤，以控制光调制器的操作。本发明还扩展到计算机程序，尤其是存储在适于将本发明付诸实践(例如，控制光调制器操作)的载体上或载体中的计算机程序。该程序可能是源代码、目标代码或中间源代码和中间目标代码的形式，例如部分编译的形式或适用于实现根据本发明的方法的任何其他形式。载体可能包括存储介质，例如，ROM(例如，CD ROM)或者磁记录介质(例如，记忆棒或硬盘)。载体可能是可通过电缆或光缆或通过无线电或其他方式传输的电信号或光信号。

在说明书中，认为术语“包括”或其任何变型以及术语“包含”或其任何变型是完全可互换的，并且应该对其进行最广泛的解释，反之亦然。

本发明不限于上文所述的实施例，而是在结构和细节上都可能变化。