專利名稱：光學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)送器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用光學(xué)設(shè)備傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)，特別涉及使用光纖的長距離鏈路上高數(shù)據(jù)速率的傳輸。
這樣的傳輸是用一個光學(xué)發(fā)送器通過光纖聯(lián)結(jié)一個光學(xué)接收器來實現(xiàn)的。發(fā)送器發(fā)送一光學(xué)載波，其功率被調(diào)制，隨傳輸信息變化。通常，調(diào)制是使載波功率在兩個電平(leve1)之間變化與波的熄滅相對應(yīng)的低電平和與激光振蕩器的最大光功率相對應(yīng)的高電平。依慣例，低電平和高電平分別表示二進制的數(shù)值0和1。波的電平變化是在時鐘信號控制的時刻觸發(fā)的，這樣，時鐘信號就定義了連續(xù)的時間單元(time cell)，它被分配給了要被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
通常，傳輸?shù)淖畲缶嚯x受到接收器無錯誤檢測經(jīng)光學(xué)鏈路傳播的調(diào)制波的兩個功率電平的能力的限制。為了提高傳輸距離，一般是力圖提高平均高光功率電平與平均低光功率電平的比，這個比定義為消光率，是調(diào)制的一個特性。
還有，對于給定的距離和消光率，數(shù)據(jù)速率受到了在光纖中生成的光的色散的限制。色散起源于光纖在傳送波的波長處的有效折射率，它使得發(fā)送脈沖的寬度隨著在光纖中的傳播逐漸增大。
為了限制這種現(xiàn)象所造成的結(jié)果，有建議采用適當(dāng)?shù)木幋a來壓縮傳輸信號的譜帶寬度，特別是建議使用在電傳輸方面所熟知的“雙二進制碼”。這種碼在實際上具有把信號譜的帶寬二等分的性質(zhì)。此種碼使用一種三電平信號，分別用0、+和-來標記，二進制中的0值仍編作0電平，二進制中的1值依規(guī)則或編作+電平，或編作-電平，按照編碼規(guī)則，把兩個連續(xù)的“1”的碼組按其包圍的是連續(xù)偶數(shù)個“0”還是連續(xù)奇數(shù)個“0”編作相同電平還是不同電平。
X.Gu等人在題為《在超過100公里的標準光纖中以10Gbit/s的無中繼三電平光學(xué)傳輸》的文章中已經(jīng)闡述了使用雙二進制編碼進行光學(xué)傳輸(電子通訊，1993年12月9日，第29卷，第25期)，在這篇文章中，0、+、-三個電平分別對應(yīng)于光功率的三個不同的電平。
申請?zhí)枮椤?4 047 32，公布號為FR-A-2 719 175的法國專利也描述了用于光學(xué)的雙二進制編碼。據(jù)此文件，二進制的“0”值永遠和光功率的低電平相對應(yīng)，而符號+和-對應(yīng)于光功率的同一高電平，其區(qū)別在于180°的光學(xué)載波相位差。
K.Yonenaga等人在文章《接收機靈敏度沒有降低的光學(xué)雙二進制傳輸系統(tǒng)》(電子通訊，1995年2月16日，第31卷，第4期)同樣描述了后一種雙二進制碼在倒相中的應(yīng)用。
盡管由這種編碼試驗提供的這些考慮表現(xiàn)出對傳統(tǒng)NRZ碼(不歸零碼)的改善，但這種改善并非都能看到。依理，當(dāng)接近使用這種碼的理想條件時，特別是當(dāng)消光率盡可能大時，應(yīng)能證實改善達到最大。然而，模擬和試驗奇特地給出了和企望相反的結(jié)果。
然而，如果仔細分析在光學(xué)背景中雙二進制碼的物理效應(yīng)，可以得到很好的壓縮信號譜帶寬。相反，編碼對于弧立觀察的每個脈沖的譜都沒影響，而脈沖譜對于涉及光色散效應(yīng)的因素具有決定性的作用。
不同文章所述的正面結(jié)果都是難于解釋的。實際上，如實驗的一些參量被驗證(光纖的長度和質(zhì)量，數(shù)據(jù)速率)，而另一些參量卻不能得到準確的監(jiān)控光學(xué)組件的特性和監(jiān)控電路的實際運行。
改變實驗參量進行模擬和試驗后得出，獲得改善的條件是載波相位位移發(fā)生在每個“0”里，而該每個“0”的前面或后面都有一個“1”碼組或弧立的“1”，相位位移的絕對值約為180°。不僅如此，也沒有必要力圖使編作“0”碼的低電平功率盡可能小，即沒有必要使消光率盡可能大。實際上，消光率的最佳值和其它實驗參量之間有著復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系。例如，該值可選為不大于20。
因此最好是實現(xiàn)一個發(fā)送器裝置，它能在載波的每一個和邏輯“0”相對應(yīng)的單元內(nèi)實施一次約為180°的相位位移，且所有和邏輯“1”對應(yīng)的任何連續(xù)單元碼組或每一與邏輯“1”對應(yīng)的弧立單元的前面和后面都有這樣的“0”單元。
為此，可以使用一個和光功率調(diào)制器耦連的激光振蕩器，功率調(diào)制器2和相位調(diào)制器相耦連，通過對調(diào)制器進行適當(dāng)?shù)碾娍刂?，光學(xué)功率調(diào)制器給相位調(diào)制器提供一個以激光波長作為載體的幅度變化的波，而相位調(diào)制器為輸出提供了功率和相位都被調(diào)制的波。
作為變通，仍用一臺和功率調(diào)制器進行光學(xué)耦連的振蕩激光器，簡單地就是一臺帶有熟知型的集成調(diào)制器的激光器。和上面的實施例不同，這里的相位調(diào)制是通過對激光的注入電流的作用而得到。這個實施例應(yīng)用了振蕩頻率隨注入電流而變化的激光器的性質(zhì)。在最佳實施例中，激光器的設(shè)計使小的電流變化導(dǎo)致足夠的頻率變化，而發(fā)射波的功率不出現(xiàn)明顯的漲落。
前面的方案都需要復(fù)雜而昂貴的電子控制系統(tǒng)。
為了簡化控制，可以利用相位位移總是發(fā)生在每個含邏輯“0”的單元中這一事實，并且使用馬赫-策德爾干涉儀調(diào)制器。這種調(diào)制器含有一個干涉儀結(jié)構(gòu)輸入光導(dǎo)分成兩個分支，它重新匯合形成輸出光導(dǎo)，電極分別在兩個分支光導(dǎo)通過的地方施加電場。當(dāng)輸入光導(dǎo)接收到一個恒定功率的載波，兩部分波在兩個分支中傳播，然后在輸出處發(fā)生干涉，于是輸出波導(dǎo)輸出的光波的功率和位相都和加在電極上的電壓值有關(guān)。為了建立一個功率和相位都調(diào)制的波，至少在一個電極上加上調(diào)制幅度的電壓，其幅度和發(fā)射的二進制信號相對應(yīng)。
由于相位改變應(yīng)在發(fā)射波的功率取極小值時立即發(fā)生，因此電極的偏置應(yīng)使在無調(diào)制時，施加的電壓的直流分量使二部分波盡可能干涉相消。如調(diào)制器的兩個分支相同，這個條件就意味著直流分量是不同的。
調(diào)制器可在鈮酸鋰(LiNbO3)基底上制成。有時，以LiNbO3為基底的調(diào)制器是不適于集成的，貴，且老化不好。于是，可以考慮使用III-V族元素，如磷化銦(InP)為基底，制成同類結(jié)構(gòu)的干涉儀調(diào)制器，但這種轉(zhuǎn)換并非令人滿意，因為和在鈮酸鋰中的情況相反，在III-V族元素的材料中，非線性電光效應(yīng)導(dǎo)致的在光導(dǎo)中的衰減與所加電壓的依賴性非常大。
于是，本發(fā)明的目的在于提出一種不存在前述方案中的那些缺點的光學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)送器裝置。
更確切地說，本發(fā)明提供一種用于發(fā)送對以功率和相位調(diào)制的光波形式的二進制數(shù)據(jù)的裝置，其組成包括馬赫-策德爾型干涉儀結(jié)構(gòu)，其中適于接收入射光波的輸入光導(dǎo)分成兩個分支以傳導(dǎo)兩部分波，所述的兩個分支重新結(jié)合形成輸出光導(dǎo)，電極用以分別在兩個分支上施加電場；及控制電路，使前述電場作為輸入電信號的函數(shù)變化，輸入電信號在低、高兩個電平間調(diào)制，并表示要被發(fā)射的二進制數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的特征在于所述的干涉儀結(jié)構(gòu)是以III-V族元素為基底的p-i-n型結(jié)構(gòu)；在于所述的兩個分支的尺寸使得在無前述電場的作用時，所述的兩部分波干涉相消；在于所述的控制電路的設(shè)計使得加在電極上的控制電壓的直流分量基本相等，而所述的控制電壓中至少有一個是由偏置電壓與所述的輸入電信號經(jīng)低通濾波器濾波后得到的信號迭加而成。
由于選用“非對稱”干涉儀結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的控制，加到電極上的平均電壓就減小了，這使得相對光功率通過0的情況，衰減降低，相位變化穩(wěn)定。
依照一個在給定的消光率的情況下能更好地減小加到電極上的平均電壓的方案，發(fā)送器裝置的特征在于前述控制電壓分別是由偏置電壓與濾波信號相迭加而成，此濾波信號是所述的輸入電信號及互補(complementary)輸入電信號經(jīng)低通濾波后而獲得的，它們被在高低電壓電平間調(diào)制，并且表示所述的要被發(fā)送的二進制數(shù)據(jù)的互補的值。
為了補償非對稱調(diào)制器在制造上的可能的不完善，方便的辦法是選擇所述的偏置電壓值，使得所述的兩個部分波在加到所述的電極上的所述的直流分量為零時盡可能干涉相消。
下面參照


本發(fā)明的其它的特征和優(yōu)點。
圖1是本發(fā)明的一個實施例的發(fā)送器裝置。
圖2是用于本發(fā)明實施例的一個調(diào)制器的一個部分剖面圖。
圖3和圖4示出傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的InP調(diào)制器的特性曲線。
圖5和圖6示出非對稱型InP調(diào)制器在只有一個電極供電時的特性曲線。
圖7和圖8示出非對稱調(diào)制器在兩個電極都供電時的另一特性曲線。
圖9是用以說明本發(fā)明實施例的發(fā)送器裝置運行的時序圖。
圖10是本發(fā)明發(fā)送器裝置控制電路的另一個實施例。
圖1是本發(fā)明的一個最初實施例的發(fā)送器裝置。發(fā)送器裝置主要由馬赫-策德爾型調(diào)制器1和控制電路2組成。調(diào)制器1是以III-V族元素為基底制成，如以磷化銦InP為基底。調(diào)制器的組成如下輸入光導(dǎo)Ge經(jīng)一個輸入耦合器Ce分成兩個支路Ba和Bb，兩支路Ba和Bb在輸出耦合器Cs處重新匯合構(gòu)成輸出光導(dǎo)Gs；分別置于分支Ba和Bb上的電極Ka和Kb用以接收來自控制電路2的電壓Va、Vb，第三個電極K2置于調(diào)制器1的底面，和地聯(lián)接。
輸入光導(dǎo)Ge接收由激光振蕩器(圖中未畫)發(fā)送的連續(xù)波M，輸出光導(dǎo)Gs提供輸出波S。
圖2是調(diào)制器1在以分支Ba為基準面時的剖面圖，更為清楚地示出其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，調(diào)制器1是在摻有n型雜質(zhì)的InP襯底上依次培育上活性層CA，摻P型雜質(zhì)的InP層4和接觸層5而制成。之后，在部件的頂面上橫向刻劃實現(xiàn)所謂“壟”結(jié)構(gòu)。然后在橫向沉積聚酰亞胺絕緣層6，再后是上電極Ka和下電極K2，例如，活性層CA可有一個量子阱結(jié)構(gòu)。
對于給定波長的輸入光波M，本發(fā)明實施例的調(diào)制器的結(jié)構(gòu)使得通過分支Ba和Bb傳送的兩部分波在加在上電極上的電壓為零時干涉相消。要獲得這樣的結(jié)果，可以使兩個支路的長度不同，以致表現(xiàn)出的光程差等于輸光波M的波長的一半。
例如，輸入光波長為1.56μm，InP上活性層的特征波長為1.45μm，由于制做的波導(dǎo)有0.24μm的長度差，得到所要的光程差。這樣，在分支Ba和Bb上面的電極有相同的長度，如600μm。
控制電路2接受一個NRZ型輸入電信號E，并且它供給電極Ka和Kb的控制電壓分別為Va和Vb，接照示例，電壓Vb是對地為負的固定偏置電壓Vpb，電壓Va是由負偏置電壓Vpa和調(diào)制信號電壓ea迭加而成，而調(diào)制信號ea是輸入電信號E經(jīng)濾波器F濾波得到。
為了很好地弄懂圖1所示裝置的運行，先對以III-V族元素(如，InP)為基底的干涉儀調(diào)制器的運行加以說明。
圖3和圖4示出在InP上制成的對稱型干涉儀在電極Kb接地情況下的特性曲線。如圖3所示，輸出光功率Ps隨加在電極Ka上的負壓Va而變化，當(dāng)Va＝0時，Ps取極大值，當(dāng)Va取特定值V1時，Ps取最小值，超過這個值，功率Ps重新增大，直到另一個極大值。后一個極大值小于當(dāng)Va＝0時的極大值，因為衰減和電壓有關(guān)。圖4示出與輸出光波相應(yīng)的相位變化Δ，可以看到在電壓V1附近有一小于180°的相移Δ1，可以指出，在這個相位差附近，Δ作為Va的函數(shù)緩慢變化，在Va＝V1時，功率Ps不為零。
為了使用對稱式調(diào)制器實現(xiàn)所希望的調(diào)制，最好是對電極Ka偏置，使電壓Va能在V1附近變化，可是，仔細考察特性曲線，可以得出，此時和光功率最低點相比，消光率小，相移穩(wěn)定性差。此種缺陷不能用在電極Kb上加偏置電壓來補償，因為Kb必須保持負電壓。
圖5和圖6示出在InP上制成的非對稱式調(diào)制器的同樣的特性曲線，情況也是電極Kb接地。當(dāng)Va＝0時，光功率Ps為零；而當(dāng)Va取負值Vo時，Ps取最大值。當(dāng)Va在0值附近時，產(chǎn)生約為180°的相位位移。
現(xiàn)在，如在電極Kb上加一負電壓Vb，得到如圖7和圖8所示的特性曲線。在此情況下，當(dāng)Va在Vb附近變化時，光功率Ps通過0點，且相位位移Δ很快通過180°。這樣，若使Va在Vb附近調(diào)制，則可實現(xiàn)輸出波的相位和功率的調(diào)制，使180°的相位位移恰恰發(fā)生在光功率通過0點的瞬間，不僅如此，和在對稱式調(diào)制器中的情況相比，由于加到電極上的平均電壓的絕對值小，輸出功率的衰減也要小?，F(xiàn)借助于圖9的時序圖，可以理解圖1所示裝置的運行。時序圖(a)是一NRZ制輸入電信號E的例子。信號E加載到低通濾波器F上，低通濾波器F輸出濾波信號ea，信號ea在模擬加法器Ta中與偏置電壓Vpa迭加形成控制電壓Va供給電極Ka。電壓Va的變化在時序圖(b)上示出。調(diào)整偏置電壓Vpa使得Va的直流分量等于加到電極Kb上的固定偏置電壓Vpb。相應(yīng)的輸出信號光功率Ps和其相位Δ的變化分別示于波形圖(c)和(d)上，可以看出，波的相位位移180°都基本上發(fā)生于表示二進制0(低平均光功率)的每個時間單元的中點，而沒有一個相位位移發(fā)生在表示邏輯1(高平均光功率)的時間單元內(nèi)。
控制電路2的另一個實施方案，能在電極Kb上加一電壓，電壓Vb被以與電壓Va相反的相位調(diào)制。為此，使用圖10中所示的裝置，在圖中，輸入電信號E及其互補量E*分別加到兩個低通濾波器Fa和Fb的輸入端，利用模擬加法器Ta和Tb，濾波器Fa和Fb輸出的電濾波信號ea、eb分別與偏置電壓Vpa和Vpb相疊加。
總之，調(diào)節(jié)偏置電壓Vpa和Vpb使得電壓Va和Vb的直流分量相等。有時，為了補償調(diào)制器制造中可能的色散，偏置電壓Vpa和Vpb要調(diào)整到在無輸入信號調(diào)制時，即僅有Va和Vb的直流分量施于電極時，保證盡可能干涉相消。
在濾波信號ea，eb沒有直流分量這種特殊情況下，偏置電壓Vpa和Vpb分別是電壓Va和Vb的直流分量，一般說二者相等。
根據(jù)下列特性來選擇低通濾波器Fa、Fb即，用赫茲表示的通帶寬度，是0.28倍的要被發(fā)送的二進制數(shù)據(jù)E的數(shù)據(jù)速率，用每秒比特表示。另外，最好使用線性相位濾波器，如貝塞爾濾波器。最后，為保證在表示邏輯0的時間單元中光功率有適當(dāng)?shù)牟▌?，最好使?階貝塞爾濾波器。
權(quán)利要求
1.以功率(Ps)和位相(Δ)調(diào)制的光波(S)形式的二進制數(shù)據(jù)的發(fā)送器裝置，包括馬赫-策德爾干涉儀結(jié)構(gòu)(1)，此結(jié)構(gòu)是一個適于接收輸入光波(M)的輸入光導(dǎo)(Ge)，它被分成兩個分支(Ba，Bb)，以傳導(dǎo)兩部分波，所述的兩個分支重新匯合，構(gòu)成輸出光導(dǎo)(Gs)，電極(Ka，Kb)用以分別在所述的兩個分支(Ba，Bb)通過的地方施加電場；及控制電路(2)，用以使所加的所述電場作為輸入電信號(E)的函數(shù)而變化，輸入電信號(E)在高、低電平間調(diào)制，并且表示要被發(fā)送的二進制數(shù)據(jù)，其特征在于所述的干涉儀結(jié)構(gòu)(1)是以III-V族元素為基底制成的p-i-n型的，在于所述的兩個分支(Ba、Bb)的尺寸使得在所加的電場不存在時，所述的兩部分波干涉相消，還在于所述的控制電路(2)的設(shè)計使得分別施加到兩個電極(Ka，Kb)上的控制電壓(Va，Vb)的直流分量基本相等，至少有一個所述的控制電壓(Va)是由偏置電壓(Vpa)與所述的輸入電信號(E)經(jīng)低通濾波器濾波后而得到的濾波信號(ea)迭加而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)送器裝置，其特征在于所述的控制電壓(Va，Vb)分別是由偏置電壓(Vpa，Vpb)與濾波信號(ea，eb)疊加而成，濾波信號(ea，eb)分別是所述的輸入電信號(E)和互補輸入電信號(E*)經(jīng)低通濾波器濾波后而得到的，它們被在高低電平間調(diào)制并且表示所述的要被發(fā)送的二進制數(shù)據(jù)的互補的值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的發(fā)送器裝置，其特征在于為實現(xiàn)所述的低通濾波，所述的控制電路(2)至少包含一個電子濾波器，其通帶寬度，用赫茲表示，約是0.28倍的要被發(fā)送的所述二進制數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)速率，用每秒比特表示。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的發(fā)送器裝置，其特征在于所述的電子濾波器是一個貝塞爾濾波器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的發(fā)送器裝置，其特征在于所述的電子濾波器是一個5階貝塞爾濾波器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一個的發(fā)送器裝置，其特征在于所述的偏置電壓(Vpa，Vpb)的數(shù)值的選擇使得當(dāng)所述的直流分量加到所述的電極(Ka、Kb)上時，兩部分波盡可能地干涉相消。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6中任一個的發(fā)送器裝置，其特征在于所述的分支(Ba、Bb)的尺寸使得光程差等于輸入光波(M)的波長的一半。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一個的發(fā)送器，其特征在于，所述的分支(Ba、Bb)是由結(jié)構(gòu)相同而長不同的光導(dǎo)組成。
全文摘要
發(fā)送器裝置,包括:馬赫—策德爾干涉儀(1),它是在Ⅲ－Ⅴ族元素的基底上制成的,其設(shè)計使得在加到電極(K
文檔編號H04B10/28GK1185066SQ9712302
公開日1998年6月17日 申請日期1997年11月27日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月28日
發(fā)明者丹尼斯·彭寧克斯, 菲利普·德蘭塞 申請人:阿爾卡塔爾-阿爾斯托姆通用電氣公司