CN102084611B - 光学调制器中射频响应的谐振腔辅助控制 - Google Patents

光学调制器中射频响应的谐振腔辅助控制 Download PDF

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Abstract

在一个实施例中，光学调制器具有马赫-曾德干涉仪(MZI)和经由可调光学耦合器与MZI内臂之一耦合的光学谐振腔。光学谐振腔在MZI中引入频率依赖光学损耗，所述频率依赖光学损耗的特征在于光谱谐振的梳齿。由光学耦合器设置的光学谐振腔与MZI之间的耦合强度控制由于谐振导致的损耗幅度，而位于光学谐振腔中的一个或多个光学移相器控制谐振的光谱位置。可以对光学耦合器或者光学移相器、或这两者进行调谐，以调节调制器的射频响应曲线。

Description

光学调制器中射频响应的谐振腔辅助控制
本发明是在相干通信成像和导向-国防先进技术研究计划机构(CCIT-DARPA)资助的合同号为No.HR0011-05-C-0027的政府支持下进行的。政府享有该发明的一定权利。
相关申请的交叉引用
该申请是2007年10月9日递交的题为“Resonator-AssistedControl of Radio-Frequency Response in an Optical Modulator”的美国专利申请No.11/869,205的部分继续申请(CIP)，将其全部内容结合在此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种光通信设备，更具体地涉及一种光学调制器。
背景技术
光学调制器是实现光通信系统部件的一种关键部件。随着对于可靠和廉价光学调制器的需求迅速增长，非常希望改善调制器特性的实际可行解决方案。这种特征之一是调制器的射频响应。典型地，调制器对光束施加调制的能力随着调制频率的增加而减弱。在光学域中，频率响应滚降(roll-off)影响调制器带宽，并且可以例如使调制边带失真，从而不利地影响光信号质量。
发明内容
根据一个实施例，光学调制器具有马赫-曾德干涉仪(MZI)和经由可调光学耦合器与MZI内臂之一耦合的光学谐振腔。光学谐振腔在MZI中引入频率依赖光学损耗，所述频率依赖光学损耗可以由光谱谐振的梳齿来表示。由光学耦合器设置的光学谐振腔与MZI之间的耦合强度控制谐振的幅度，而位于光学谐振腔中的光学移相器控制谐振的光谱位置。可以对光学耦合器或者光学移相器、或其两者进行调谐，以调节调制器的射频响应曲线，可以将射频响应曲线用于相对于利用现有技术的马赫-曾德型光学调制器可达到的光信号质量来改善光信号质量。
根据另一实施例，本发明的光学调制器包括：光学马赫-曾德干涉仪，具有第一和第二内臂；第一光学谐振腔；以及第一光学耦合器，适用于光学地耦合第一光学谐振腔和第一内臂。该光学调制器适用于利用施加到调制器的数据输入端的数据来调制光载波。第一光学谐振腔和第一光学耦合器是可控地可调的，以改变调制器对于数据调制的射频响应。
根据另一实施例，一种光调制方法包括向具有第一和第二内臂的光学马赫-曾德干涉仪施加光载波的步骤。该光学马赫-曾德干涉仪是光学调制器的一部分。光学调制器还包括光学谐振腔和光学耦合器，光学耦合器适用于将光学谐振腔和第一内臂光学耦合。该方法还包括以下步骤：利用施加到调制器的数据输入端的数据来调制光载波；以及可控地调谐光学谐振腔和光学耦合器，以改变调制器对于数据调制的射频响应。
附图说明
根据以下详细描述、所附权利要求和附图，本发明的其他方面、特征和益处将变得更加清楚明白，其中：
图1示出了现有技术光学调制器的示意图；
图2用图形示出了图1所示的光学调制器的代表性射频(RF)响应；
图3用图形示出了图2中所示的RF响应的光学域表现；
图4A示出了根据本发明一个实施例的可以用于图1的光学调制器的波导回路的示意图；
图4B-C示出了图4A的波导回路中使用的可调耦合器的两个代表性实施例的示意图；
图4D示出了可以用于实现图4A的波导回路中使用的可调耦合器的Y-耦合器；
图5A-F用图形示出了图4的波导回路的代表性光谱特性；
图6A-B用图形示出了图4的波导回路如何用于为采用该波导回路的调制器产生相对平坦的光学域响应曲线；
图7A-B用图形示出了图4的波导回路如何用于可控地限制采用该波导回路的调制器的带宽；
图8A-B用图形示出了图4的波导回路如何用于为采用该波导回路的调制器反转光学域响应曲线；
图9示出了根据本发明一个实施例的采用图4的波导回路的通信系统的方框图；
图10示出了根据本发明一个实施例的可以用于与图1的光学调制器类似的光学调制器中的波导回路的示意图；以及
图11示出了根据本发明另一实施例的可以用于与图1的光学调制器类似的光学调制器中的波导回路的示意图。
具体实施方式
图1示出了现有技术光学调制器100的示意图。调制器100具有波导回路102和驱动器104。波导回路102结合了马赫-曾德干涉仪(MZI)，所述MZI的操作基于两个子光束之间的干涉。驱动器104经由控制信号106控制子束之间的相对相移，并且因此控制由波导回路102产生的输出光束的相位和强度。
例如由激光器(在图1中未明确示出)产生的输入光束由波导回路102的输入波导110接收，并且通过光学分束器120将其分为两个子束。然后每一子束通过MZI内臂130a-b的相应内臂传播。通过光学合束器140将子束重新组合，并且将得到的光束导引到输出波导150中。
向MZI臂130a的电极132施加控制信号106，在该MZI臂的材料中产生电场。该电场影响材料的折射率，进而影响子束在MZI臂130a中产生的光学相位。相反，另一子束在MZI臂130b中产生的光学相位不会受到控制信号106的影响。如果两个子束之间的相对相移是180度，那么子束在光学合束器104处“相消”干涉，使得光不会耦合到输出波导150中，而是辐射到波导回路102的衬底中，结果是实质上没有光从波导150输出。如果两个子束之间的相对相移是0度，那么子束在光学合束器140处“相长”干涉，使得光耦合到输出波导150中，并且基本上不会辐射到波导回路102的衬底中，结果是从波导150输出最大光强度。中间相移值(例如在0度和180度之间)结果是中间光强度传输通过波导回路102。由波导回路102产生的输出信号的相位也由控制信号106的电压来确定。
图2用图形示出了调制器100的代表性射频(RF)响应。更具体地，图2中的“带噪声”和平滑迹线分别是实验测量和数值仿真的RF响应曲线。为了获得实验响应曲线，驱动器104首先被配置为向波导回路102施加dc偏置电压，所述dc偏置电压使输出束具有约50％的最大强度。然后，驱动器104被配置为将相对较小的正弦RF信号叠加到dc偏置电压上，这使得输出束的强度变为RF调制的。最后，正弦RF信号的频率在感兴趣的频率范围上扫描，同时保持正弦曲线的幅度恒定，并测量波导回路102的输出处强度调制的幅度。图2在图形上显示了测量结果，其中横轴和纵轴分别表示以GHz为单位表达的正弦RF信号以及以dB为单位表达的光强度调制的幅度。例如在美国专利No.7,142,309中可以找到用于测量与调制器100类似的光学调制器的RF响应的技术细节，因此将其全部结合在此作为参考。
图3用图形示出了图2中所示的RF响应的光学域表现。更具体地，位于约193,390GHz处相对较长的箭头表示施加至波导回路102的波导110的光载波信号(激光线)。波导回路102中光载波信号的RF调制在载波的每一侧产生一个或多个光学调制边带。为了简单起见，这里假设针对给定的RF调制频率产生单独的一对对称定位的边带。图3中相对较短的箭头示出了两个这样的对，一对(实线箭头)与2.5GHz的调制频率相对应，另一对(虚线箭头)与7.5GHz的调制频率相对应。本领域技术人员应该理解，光学调制边带的确切形状或者光谱内容依赖于调制格式和器件实现细节。
例如，根据图3可知，将相对于载波频率的频率偏移从2.5GHz增加到7.5GHz将信号衰减增加了约2dB(也参见图2)。当按照光谱衰减梯度(定义为响应曲线斜率的模)来表达时，衰减的这种增加对应于约0.4dB/GHz的梯度值。通常，在将控制信号106的光谱RF分量施加到光输出信号的过程中，波导回路102根据回路的RF响应曲线对这些光谱分量进行加权。如果光谱衰减梯度相对较大，那么由波导回路102产生的光波形可能包含与这种加权相关联的失真，这可能不利地引起光信号“眼图”闭合和/或其他有害表现。
图4A示出了根据本发明一个实施例的可以代替光学调制器100中波导回路102的波导回路402的示意图。与波导回路102类似，波导回路402结合了具有两个MZI内臂430a-b的MZI。然而，波导回路102和402之间的一个区别在于：在波导回路402中，MZI臂430a经由热光耦合器434耦合到光学谐振腔460。热光耦合器434是可调的，并且设计用于控制MZI臂430a和谐振腔460之间的耦合强度。注意，可以将除了热光耦合器之外的其他可调耦合装置用于耦合器434。可以将诸如载流子注入、载流子耗尽、应力、光折变效应或者能够实现波导材料有效折射率可控变化的其他技术之类的方法用作热光耦合器434操作的物理原理。
谐振腔460包括波导回路462和位于所述回路中的电光移相器464。例如在美国专利申请公开No.2006/0045522中公开了一种可以用作移相器464的合适移相器，将其全部内容结合在此作为参考。移相器464具有与波导回路102的电极132类似动作的电极(图4中未明确示出)，并且可以通过控制信号106来驱动。此外，MZI臂430b结合了热光移相器436，所述热光移相器436可以用于调节MZI臂430a-b中的子光束之间的相对相位差，例如在调谐热光耦合器434以改变MZI臂430a和谐振腔460之间的耦合强度时。另外，移相器436可以用于配置波导回路402对于各种传输格式具有最优性能。例如，如果使用基本的开/关键控(on/off keying)，则设置移相器436以实现约50％的功率输出，或者将其设置为使得当调制器处于与控制信号106的“关”状态相对应的状态时获得最小光功率输出。可选地，对于双二进制(duobinary)或者差分相移键控格式，可以设置移相器436对于该调制格式产生从波导回路402输出的合适功率输出。
图4B-C示出了可调耦合器434的两个代表性实施例的示意图。图4B所示的可调耦合器434具有MZI 431，其中将以上参考波导回路102(图1)的MZI所描述的工作原理用于控制从每一个输出端口433a-b发射的光量。然而在MZI 431的情况下，因为存在两个输出端口，之前描述为辐射到衬底中的光现在基本上耦合到可选的输出端口433a-b中。MZI 431具有两个50/50定向耦合器435a-b和热光移相器437。热光移相器437与上述热光移相器436类似。
图4C示出了用于实现可调耦合器434的一种定向耦合器方法。更具体地，图4C的可调耦合器434具有加热器439，该加热器用于改变两个紧邻波导之间的光耦合性质，并且因此控制从每一个输出端口433a-b发射的光量。
图4D示出了Y-耦合器441，可以串联两个Y-耦合器以实现可调耦合器434。耦合器441的“上Y”分支的每一个具有相应的加热器439，加热器439可以可控地改变通过该分支的传输特性。另外，Y-耦合器441可以用于只需要一个输入波导和两个输出波导的环境下。这种环境例如在图10和图11所示的波导回路实施例中呈现。
图5A-B用图形示出了MZI臂430a和谐振腔460的代表性损耗曲线。更具体地，图5A示出了针对以下配置的损耗曲线，在该配置中已经调谐和装配了耦合器434以将谐振腔460与MZI臂430a适度地耦合。例如，当耦合因子ρ＝(1-κ)0.5小于谐振腔中的场衰减因子γ＝10-αL/20时，可以实现这种适度耦合条件，其中κ是耦合器的耦合系数，α和L分别是谐振腔的损耗系数和腔长，使得αL表示以dB为单位表达的谐振腔往返损耗。图5B示出了对于以下配置的损耗曲线，在该配置中已经调谐和装配耦合器434，以将谐振腔460与MZI臂430a临界耦合。例如当耦合因子ρ接近场衰减因子γ时，可以实现这种临界耦合条件。在不存在数据调制的情况下，通过缓慢地改变施加到波导回路402的(未调制的、CW)输入光信号的波长，来产生图5A-B中每一个所示的损耗曲线。
图5A-B中所示损耗曲线中的下陷(通常也称作光谱谐振)是由在谐振腔回路中往返传播的光之间的干涉引起的。所述谐振按照与1/T相对应的频率间隔彼此隔开，其中T是谐振腔460中往返传播的渡越时间(transit time)。耦合器434设置的耦合强度控制直接传播路径和回路“迂回”路径之间的光的比例，并且因此确定由于干涉产生的消光度。在波导回路402的代表性实施例中，耦合器434使得损耗曲线的幅度(下陷深度)能够在0和30dB之间可调。
谐振腔460的有效光学长度由回路462的物理长度与每一部分的有效光折射率的乘积确定，回路462包括耦合器、回路的无源波导部分和有源波导部分(移相器464)。这包括光信号在电光移相器464中产生的光学相位。施加到移相器464的dc偏置电压控制其中产生的光学相位，并且因此控制谐振的光谱位置和/或谐振之间的光谱间隔。可选地，可以将两个dc偏置施加至耦合器，使得可以控制谐振的位置。周期性驱动信号(例如，经由控制信号106施加至移相器464的伪随机比特序列(PRBS))具有按照相应的周期性方式在光谱上移动谐振梳齿的效果，例如由图5B中的双向箭头所示。非周期性驱动信号(例如与随机比特流(RBS)相对应的驱动信号)也将移动谐振梳齿，但是按照非周期性方式移动，这种非周期性方式反映了RBS所承载的特定比特序列。如果随时间进行平均，调制引入的梳齿移动的效果是加宽谐振并且减小其深度。
图5C-D用图形分别示出了谐振腔460对于由波导回路402处理的光信号的载波频率和调制边带分量的影响。图5C中所示的损耗曲线502与图5A-B中所示的每一损耗曲线类似。注意，损耗曲线502在频率ω0具有最小值。(图5C中也示出的)相位曲线504绘制了在将光信号422变换成光信号428的过程中(参见图4)由谐振腔460施加到光信号422的载波频率分量上的相移。
由移相器464施加的数据调制使光信号428的光谱内容与光信号422的光谱内容不同。更具体地，相位调制使得光信号428除了在信号422中原本存在的载波频率分量之外，还包括调制边带分量。图5D中所示的传输曲线512和相位曲线514分别表征了光信号428的调制边带分量的幅度和相位。注意，传输曲线512是归一化曲线。归一化值是通过将移相器464处理成在谐振腔460内产生光学边带的“有效光源”、并且将有效光源的输出功率作为参考值来获得的。这样，图5D中(左侧)竖直轴上的0dB值对应于光信号428中的边带功率与谐振腔460内产生的边带功率相同的情况。传输曲线512示出了依赖于频率，干涉效应可以相对于谐振腔460内的边带功率，增强或者抑制光信号428中的边带功率。
与损耗曲线502类似，传输曲线512是具有按1/T隔开的多个下陷的准周期性曲线。然而，传输曲线512的下陷相对于损耗曲线502的光谱谐振在光谱上偏移约1/2T，从而将传输曲线512的最大值与损耗曲线502的最小值对齐。即使在耦合器434和/或移相器464被调谐或者接收RF调制的控制信号时，也基本上保持了曲线502和512的这种相对光谱对齐。
图5E-F用图形示出了(例如控制信号106的)数据调制频率对于光信号428中边带功率的影响。更具体地，图5E-F均示出了曲线502和512(也参见图5C-D)，并带有三个竖直的箭头表示光信号428的示例光谱分量。中间相对较高的箭头表示光信号428的载波频率分量，载波频率分量两侧两个相对较短的箭头表示该光信号的两个调制边带分量。图5E对应于约5GHz的调制频率，该调制频率使每一调制边带分量与载波频率分量在光谱上间隔约5GHz。图5F对应于约20GHz的调制频率，该调制频率使每一调制边带分量与载波频率分量在光谱上间隔约20GHz。
选择耦合器434和谐振腔460的设置，以便将载波频率(在图5E-F中标记为ω1)在光谱上在损耗曲线502的两个相邻光谱谐振之间基本上等距放置。这种光谱放置也将载波频率与传输曲线512的下陷对齐。如参考图5C-D已经描述的，损耗曲线502适用于载波频率分量，而传输曲线512适用于调制边带分量。从图5E-F可知，在控制信106号的幅度固定时，控制信号的调制频率从约5GHz到约20GHz的变化引起调制边带功率变化约8dB。具体地，图5E示出了在5GHz时，由谐振腔460引入的干涉效果对于光信号428的调制边带分量引起约-2dB的有效功率损耗。类似地，图5F示出了在20GHz时，这些干涉效果对于调制边带分量引起约+6dB的有效功率增益。
如果调制器100中波导回路102用波导回路402来代替，那么可以使用谐振腔460的上述光谱特性来有利地修改调制器的RF响应，并且改进光输出信号的总体质量。作为示例，下面分别参考图6A-B、图7A-B、图8A-B描述波导回路402的三种有用配置。更具体地，图6A-B所示的波导回路配置有助于平坦化图3中所示的光学域响应曲线。图7A-B所示的波导回路配置有助于带宽限制光学域响应曲线。图8A-B所示的波导回路配置有助于反转光学域响应曲线。本领域技术人员将应该理解，波导回路402的其他配置可以类似地用于实现对调制器的RF响应曲线的其他所需修改。
图6A-B用图形示出了波导回路402如何用来对于采用该波导回路的调制器产生相对平坦的光学域响应曲线。图6的结果也可以看作是示出了加宽带宽的方法。更具体地，通常将带宽定义为与3-dB衰减相对应的两个点之间的光谱宽度。因为响应曲线的平坦化加宽了3-bB衰减点之间的频率间隔，从而增加了带宽。
首先参考图6A，虚线602示出了当将热光耦合器434配置为使得耦合器将光完全耦合到交叉状态(cross state)、从而使光在谐振腔460内进行一次完整的往返传播、然后基本上全部耦合出谐振腔并且返回MZI臂430a时波导回路402的光学域响应曲线。这种配置有效地最小化了谐振腔对于调制器响应的影响。另外，响应曲线602主要表示出相移部件(即移相器464)的电光响应。也可以调谐耦合器的设置来增加(例如最大化)谐振腔对于调制器响应的影响。响应曲线604表征了在后一种配置中MZI臂430a和谐振腔460的调制边带频率响应。
注意，响应曲线602的形状与图3所示的响应曲线的形状类似。响应曲线604的形状实质上表示时间平均的传输曲线512的形状。选择谐振腔460的有效光学长度，使得响应曲线604中下陷的最小值(或者中心点)与由位于约193,390GHz处的箭头表示的激光线(光载波频率分量)实质上相一致。如以上参考图5C-F所述，这种光谱对齐也意味着激光线在光谱上在损耗曲线502(图6A中未明确示出)的两个相邻时间平均光谱谐振之间基本上等距放置。通常，通过对光学谐振腔设置有效光学长度，可以将谐振梳齿与载波频率在光谱上对齐。
现在参考图6B，实线606示出了针对与谐振曲线604相对应的耦合强度相同的耦合强度，波导回路402的光学域响应曲线。本领域技术人员应该理解，响应曲线606实质上是响应曲线602和604的乘积。同图3一样，图6B中相对较短的箭头示出了两对调制边带，一对(实线箭头)与2.5GHz的调制频率相对应，另一对(虚线箭头)与7.5GHz的调制频率相对应。注意，由响应曲线606所施加的对于2.5GHz和7.5GHz衰减的差别现在只是约0.3dB，这对应于约0.06dB/GHz的光谱衰减梯度值。
例如，通过适当地调谐热光耦合器434以找到最佳耦合强度，可以实现这种相对较低的光谱衰减梯度值，所述最佳耦合强度产生响应曲线604的最佳形状，并且强制响应曲线606获得相对平坦的形状。中间耦合强度(例如在1和最佳耦合强度之间)将导致中间光谱衰减梯度值(例如，在约0.3和0.06dB/GHz之间)。还应该注意，在这种配置中，优选地将谐振腔设计为使得谐振腔的弛豫(relaxation)时间比该频率下信号的光谱响应分量更快。响应曲线606的相对平坦形状使得利用波导回路402能够比利用波导回路102更精确地将控制信号106的光谱RF分量施加到光信号上。结果，由波导回路402产生的光波形有利地包含比由波导回路102产生的光波形更少和/或更小的失真。
对于最佳性能，特定的传输格式使用带宽局限于指定频率范围的发射机。例如，低通滤波双二进制是一种传输格式，在约40Gb/s的比特率下，如果发射机具有约10GHz至约13GHz之间的带宽，那么该传输格式实现有利的性能。在现有技术的通信系统中，通常通过在向与波导回路102类似的回路施加驱动信号之前使电驱动信号(例如图1中的控制信号106)通过适当的电学带通滤波器，实现带宽限制。可选地，通过在调制器输出处放置合适的光学带通滤波器来实现带宽限制。这两种现有技术带宽限制方案不利地试用了附加的部件(滤波器)，这增加了相应光通信系统的复杂度级别和成本。
图7A-B用图形示出了波导回路402如何用于可控地限制采用该波导回路的调制器的带宽，而不使用附加的电学或光学带通滤波器。首先参考图7A，虚线702再现了响应曲线602(参见图6A)。实线704具有与时间平均传输函数512相对应的形状。注意，现在选择谐振腔460的有效光学长度，使得激光线位于响应曲线704的两个相邻下陷之间的中点附近。如以上参考图5C-F所述，这种光谱对齐也意味着激光线在光谱上与损耗曲线502(图7A中未明确示出)的时间平均光谱谐振之一对齐。
现在参考图7B，实线706示出了针对与响应曲线704相对应的耦合强度相同的耦合强度，波导回路402的光学域响应曲线。本领域技术人员应该理解，响应曲线706实质上是响应曲线702和704的乘积。注意，由响应曲线706限定的带宽小于由响应曲线702限定的带宽。通过响应曲线704的下陷之间的光谱间隔以及这些下陷的深度来控制带宽减小的程度。可以通过以下方式选择下陷之间的光谱间隔：(i)对于波导回路462选择合适的物理长度；和/或(ii)调谐移相器464。对于波导回路462的给定物理长度，可以利用热光耦合器434和/或移相器464可控地调节带宽限制的程度，以针对一组给定的传输链路条件(例如残余色散量或者其他传输链路障碍)来优化调制器性能。此外，可以使用多个谐振腔来对调制器的光谱响应进一步整形。
图8A-B用图形示出了波导回路402如何用来针对采用该波导回路的调制器反转光学域响应曲线。首先参考图8A，虚线802示出了与响应曲线602(参见图6A)类似的响应曲线。实线804具有与时间平均的传输曲线512相对应的形状。注意，选择谐振腔460的有效光学长度，使得响应曲线804中下陷的最小值(或者中心点)基本上与激光线相一致。这种光谱对齐也意味着激光线在光谱上在损耗曲线502(图8A中未明确示出)的两个相邻时间平均光谱谐振之间基本上等距地放置。
响应曲线802与响应曲线602的区别在于响应曲线802是更浅的曲线，意味着其特征在于光谱衰减梯度值较小。更具体地，响应曲线802具有约0.1dB/GHz的梯度值，而与响应曲线602的约0.3dB/GHz的梯度值不同。本领域技术人员应该理解，依赖于回路实现的细节和制造技术，波导回路在其光学域RF响应中可能具有相抵较宽的变化，并且因此展现出不同的光谱衰减梯度。可以利用这种变化来选择条件，在这种条件下响应曲线804可以是比响应曲线802更陡峭的曲线，例如如图8A所示。本领域技术人员还应该理解，如果响应曲线802具有与响应曲线602相等的光谱衰减梯度，例如0.3dB/GHz，那么可以将响应曲线804适当地修改为比曲线802(和曲线602)陡峭，以便有效地产生与图8A-B当前所示类似的物理回路配置。
现在参考图8B，实线806示出了与响应曲线802和804相对应的波导回路402的光学域响应曲线。本领域技术人员应该理解，响应曲线806实质上是响应曲线802和804的乘积。注意，因为响应曲线804比响应曲线802陡峭，响应曲线806是反转的光学域响应曲线。术语“反转”这里应该理解为意味着边带衰减一般随着调制频率(或与载波频率的光谱间隔)的增加而减小。回想波导回路102的光学域响应曲线的特征在于边带衰减一般随调制频率的增加而增加。图8A-B中所示的结果表示可以有效地使用波导回路402过补偿对于光学调制器本身而言内在的射频滚降。“过”补偿例如可以用于至少部分地补偿由具有波导回路402的光学调制器外部的通信系统元件所产生的RF频率滚降。
图9示出了根据本发明一个实施例的采用波导回路402的通信系统的900方框图。CW激光器910为波导回路402提供载波频率信号。RF放大器930使用数据复用器(MUX)920产生的复用数据信号928来产生数据调制控制信号106。波导回路402如上所述调制载波频率信号，并且将所得到的已调制光信号938发射到光接收机990。在去往接收机990的途中，光信号938可以经过以下元件中部分或全部的一个或多个实例：光复用滤波器940；长距离传输光纤945；上下路模块950和光解复用滤波器960。接收机990的光电(O/E)转换器970将接收到的光信号转换为相应的电信号978，然后通过互阻抗(trans-impedance)放大器980处理该电信号。
数据MUX 920、RF放大器930、光复用滤波器940、上下路模块950、光解复用滤波器960、O/E转换器970和互阻抗放大器980的部分或全部可以具有带宽限制。这些带宽限制典型地例如表现为性质上与图3所示类似的射频滚降。有利地，波导回路402可以用于消除这些带宽限制的有害影响。例如，波导回路402可以如以上参考图8A-B所述来配置，以后补偿由数据MUX 920和/或RF放大器930施加的射频滚降，使得通过波导回路、数据MUX和RF放大器形成的光学调制器的复合RF响应在相对较宽的光谱间隔上基本上平坦，或者其特征在于相对较小的光谱衰减梯度，例如与图6B所示的响应曲线606相对应的光谱衰减梯度类似。可选地或者附加地，波导回路402可以如以上参考图8A-B所述来配置，以预补偿由光复用滤波器940、上下路模块950、光解复用滤波器960、O/E转换器970以及互阻抗放大器980中的一个或多个施加的射频滚降。本领域技术人员应该理解，这种后补偿和/或预补偿能够有利地减小接收机990处的解码错误数。
本领域技术人员应该理解，通信系统90可以包括光开关，用于将光信号938重新路由到与接收机990类似的不同接收机(图9中未明确示出)。这种重新路由可能改变去往该不同接收机途中施加到光信号938上的射频滚降。在这种情况下，可以重新配置波导回路402，使得由其施加的预补偿匹配与新目的地相对应的射频滚降。一般而言，波导回路402可以动态地重新配置为具有对于当前路由配置最有利的带宽特征。
在一个实施例中，波导回路402可以用于波分复用(WDM)通信系统，以生成与(空闲或下路)WDM信道之一相对应的通信信号，例如上路信号。与其他WDM信道相对应的光通信信号通常特征在于一定程度和/或类型的信号失真。由波导回路402实现的、且由图6-8例证的对RF响应的控制可以用于按照可控的方式对上路信号进行(预)失真，以便基本上匹配现有信道失真。结果，WDM复用的所有信号可以具有与上/下路功能无关的类似信号特性，这使得通信系统能够按照统一和一致的方式处理整个WDM复用。
图10示出了根据本发明一个实施例的可以用于与光学调制器100类似的光学调制器中的波导回路1002的示意图。波导回路1002基本上与波导回路402(图4)类似，并且这两个回路的类似元件指派了具有相同的后两位数字的标记。在以下描述中，更加详细的解释这两个波导回路在结构和操作上的差别。
参考图4和图10，代替在波导回路402中使用的光学分束器420，波导回路1002采用热光耦合器1020。结果，波导1010a-b的任一个可以用作波导回路1002的输入波导。此外，热光耦合器1020使得能够实现对MZI内臂1030a-b之间的光分布进行可操作的调节以获得最佳性能。由于类似的原因，波导回路1002也采用热光耦合器1004来代替与波导回路402中使用的光学合束器440类似的光学合束器。注意，可以在波导回路402中使用类似的热光耦合器。
MZI臂1030a-b的每一个经由相应的热光耦合器1034与相应的光学谐振腔1060耦合。将单独的光学谐振腔与每一MZI臂相耦合的一个目的在于：与由波导回路402在输出信号中产生的啁啾量相比，减小由波导回路1002在输出信号中产生的啁啾量。在代表性配置中，控制信号1006a-b按照相反方式分别驱动移相器1064a-b实现推挽式操作，结果是输出信号中有利地具有低啁啾。例如在美国专利申请公开No.2003/0175036和2004/0165893中可以找到关于马赫-曾德调制器的推挽式操作的更多细节，将这两者的全部内容都结合在此作为参考。例如在共同所有的03/11/2007递交的题为“Semiconductor OpticalModulator”的美国专利申请序号No.11/684,625中详细解释了啁啾减小的物理机制，也将其全部内容结合在此作为参考。
图11示出了根据本发明另一实施例的可以用于与光学调制器100类似的光学调制器中的波导回路1102的示意图。波导回路1102基本上与波导回路1002(图10)类似，并且这两个回路的类似元件指派具有相同的后两位数字的标记。然而，波导回路1002和1102之间的一个区别在于：在波导回路1102中，每一MZI内臂1130a-b经由两个热光耦合器1134与两个相应的光学谐振腔1160耦合。对于每一MZI臂1130a-b使用额外的光学谐振腔是有益的，例如在按照能够在相对较窄的范围内调谐折射率的技术(例如载流子耗尽Si波导技术)来实现电光移相器1164时。这种相对较窄的范围对于每一个电光移相器1164中可达到的相位值施加了相应的限制。每一MZI臂1130中多个谐振腔1160的级联有效地将单个电光移相器1164的相位范围加在一起，从而有利地加宽了可达到的相位范围。此外，每一个电光移相器1164可以被配置为在与相应谐振腔1160的选定谐振的最小值相对接近地操作，在所述最小值处其相移能力(即每单位电压变化的相位变化)谐振地增强，并且有利地具有较大值。较大的相移能力可以用于减小施加至每一个移相器1164的驱动电压。另外，与只有一个谐振腔耦合至每一MZI臂的情况相比，将多个谐振腔1160耦合至每一MZI臂1130使得在电光响应曲线的形状控制方面更加灵活。
尽管已经参考示例实施例描述了本发明，这种描述不应该按照限制的方式来解释。例如，可以将本发明的调制器实现为具有波导回路(例如回路402、1002和1102之一)和驱动器(例如驱动器104)的集成电路。本发明的波导回路中每一MZI臂可以与三个或更多光学谐振腔光学耦合。对于非对称带宽限制(或者反转)，可以相对于光载波非对称地放置相邻谐振。分束器420和合束器440的每一个或者之一可以用可调耦合器(例如，类似于耦合器434)来代替。耦合器1020、1120、1040和1140的每一个或者之一可以由可调波导分束器/合束器(例如，类似于分束器420和合束器440)来代替。尽管已经参考移相器(例如移相器464)接收数据调制驱动信号的配置来描述了本发明的实施例，但是本发明的波导回路也可以配置为使得光学耦合器(例如，光学耦合器434)接收数据调制驱动信号。光学耦合器可以在移相器之外另外或者代替移相器来接收数据调制驱动信号。本发明所属领域的技术人员所知的对上述实施例的各种修改以及本发明的其他实施例应视为落在所附权利要求中所表达的本发明的原理和范围之内。
除非另有声明，如果在数值或范围之前存在词语“大约”或者“近似”，每一个数值和范围应该解释为是近似的。
还应该理解的是，本领域技术人员在不脱离所附权利要求所表达的本发明范围的情况下，可以在为了解释本发明的本质而描述和说明的各部分中做出细节、材料和设置方面的各种变化。
应该理解的是，这里阐述的示例方法的步骤并不一定要求按照所描述的顺序来执行，并且这种方法步骤的顺序应该理解为只是示例性的。同样，在这些方法中可以包括附加的步骤，并且在与本发明的各种实施例一致的方法中，可以省略或者组合特定的步骤。
在此对于“一个实施例”或者“实施例”的引用意味着结合该实施例所描述的具体特征、结构或特性可以包括在本发明的至少一个实施例中。在说明书的不同位置出现的短语“在一个实施例中”不一定都是指代相同的实施例，也并非是与其他实施例必定互斥的单独或可选实施例。这也适用于术语“实现”。
贯穿该详细描述，未按比例绘制的附图只是说明性的，并且用来解释而不是限制本发明。诸如高度、长度、宽度、顶部、底部之类术语的使用确实帮助了对本发明的描述，但并不是要将本发明限制到特定的朝向。
同样为了该描述的目的，术语“耦合”或者“连接”指的是在现有技术中已知或以后开发的允许在两个或多个元件之间传递能量的任意方式，可以设想插入一个或多个额外元件，但并非一定如此。

Claims (9)

1.一种光学调制器，包括：
光学马赫-曾德干涉仪，具有第一和第二内臂；
第一光学谐振腔；以及
第一光学耦合器，适用于光学地耦合第一光学谐振腔和第一内臂，其中：
所述光学调制器适用于利用施加到调制器的数据输入端的数据来调制光载波；以及
所述第一光学谐振腔和所述第一光学耦合器是可调的，以改变调制器对于数据调制的射频响应，使所述光学调制器在光载波的光学频率周围的光谱范围中展现出这样的射频响应，其中边带衰减随着所述光学调制器的调制频率的增加而减小。
2.根据权利要求1所述的光学调制器，其中：
由第一光学谐振腔在第一内臂中引入的光学损耗是由光谱谐振表示其特征的；以及第一光学耦合器是可调的以控制所述光谱谐振的幅度。
3.根据权利要求1所述的光学调制器，其中第一光学谐振腔和第一光学耦合器适于被调谐为使调制器展现出由小于0.3dB／GHz的光谱衰减梯度表示其特征的射频响应。
4.根据权利要求1所述的光学调制器，其中第一光学谐振腔包括可调移相器，适用于基于接收到的直流电控制电压来限定所述光学谐振腔的有效光学长度。
5.根据权利要求4所述的光学调制器，其中：
移相器还适用于接收电射频信号以产生数据调制：
第一光学谐振腔包括与第一光学耦合器相连的波导回路；以及
移相器是所述波导回路的一部分。
6.根据权利要求4所述的光学调制器，其中：
由第一光学谐振腔在第一内臂中引入的光学损耗是由一个或多个光谱谐振表示其特征的，每一个光谱谐振均具有光谱位置；以及
可调移相器适用于可控地改变所述光谱位置的至少之一。
7.一种光调制方法，包括：
向具有第一和第二内臂的光学马赫-曾德干涉仪施加光载波，其中：
所述光学马赫-曾德干涉仪是光学调制器的一部分；以及
所述光学调制器还包括光学谐振腔和光学耦合器，所述光学耦合器适用于将所述光学谐振腔和所述第一内臂光学耦合；
利用施加到调制器的数据输入端的数据来调制光载波；以及
调谐光学谐振腔和光学耦合器，以使光学调制器在光载波的光学频率周围的光谱范围中展现出这样的射频响应，其中边带衰减随着所述调制步骤的频率的增加而减小。
8.根据权利要求7所述的方法，其中：
所述光学调制器是在光学调制器外部具有一个或多个带宽限制部件的通信系统的一部分；以及
所述方法还包括选择所述射频响应的特性，以至少部分地偏移由所述一个或多个带宽限制部件产生的射频滚降。
9.根据权利要求8所述的方法，其中：
所述光学调制器位于所述一个或多个带宽限制部件的上游；以及
所述射频响应至少部分地预补偿了射频滚降，以消除对于光学接收机处信号接收的影响，所述光学接收机经由所述一个或多个带宽限制部件与调制器光学耦合。
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