專利名稱：四路并行數(shù)字調(diào)制和正交復(fù)用的波導(dǎo)芯片結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光通信和光子集成技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于光離散傅里葉變換的四路并行數(shù)字調(diào)制和正交復(fù)用的波導(dǎo)芯片結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)用于主干網(wǎng)密集波分復(fù)用系統(tǒng)單信道的信號(hào)調(diào)制，用較低的調(diào)制速率實(shí)現(xiàn)高速碼率的信號(hào)傳輸。
背景技術(shù)：
在光通信領(lǐng)域中，密集波分復(fù)用系統(tǒng)(DWDM)的信道間隔已經(jīng)縮小到100GHz，然而由于四波混頻效應(yīng)和波長(zhǎng)漂移的存在，波長(zhǎng)間隔難以進(jìn)一步縮小。如何充分利用單信道的帶寬資源，成了光通信主干傳輸網(wǎng)的一大技術(shù)熱點(diǎn)。按照傳統(tǒng)的方法，人們通過采用電域或光域的時(shí)分復(fù)用技術(shù)(TDM)，以期充分利用單信道的信道容量。但是隨著碼率的提高，尤其是高于10(ibpS以上時(shí)，采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)傳輸光信號(hào)將對(duì)光纖色散和碼間串?dāng)_提出更苛刻的限制，而且光電器件的工作速率越高， 成本則越昂貴，因此受到了很大程度的限制。為了進(jìn)一步提升帶寬利用率，近年來發(fā)展了全光的正交相位調(diào)制技術(shù)(OQPSK)，該技術(shù)利用了光的四個(gè)相位信息，使得一個(gè)光信號(hào)可以代表兩個(gè)碼元信息；從而在不需要提高調(diào)制速率的情況下，將傳輸速率提高了一倍。然而傳輸碼率若要達(dá)到100(ibpS以上的話， 單純采用QPSK技術(shù)還不夠；于是又有了正交幅度調(diào)制技術(shù)(QAM)，這種技術(shù)在利用了光相位信息的同時(shí)進(jìn)行了幅度調(diào)制，以使單個(gè)光信號(hào)表征更多的碼元信息，更大程度地提高帶寬利用率。不過，正交幅度調(diào)制技術(shù)(QAM)將對(duì)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的速率提出苛刻的要求。眾所周知，電子信息處理相比于光信號(hào)處理，其速度受到了很大限制(目前尚處于百兆赫茲量級(jí))，也即所謂的電子瓶頸效應(yīng)。因此，要達(dá)到百吉赫茲量級(jí)的傳輸碼率，必須依托于光信息處理技術(shù)，而降低對(duì)電調(diào)制速率的要求。為了解決這個(gè)問題，我們做了充分的調(diào)查研究，以期尋找一種光子信息處理的方法，實(shí)現(xiàn)在較低的電調(diào)制速率下，更大程度的提升帶寬利用率，并提升抗色散和碼間串?dāng)_的傳輸性能。光子信息處理中有一個(gè)很重要的概念，就是傅里葉變換，它是一種頻域和時(shí)域間的變換算法能將一個(gè)時(shí)域信號(hào)表征為正交的頻域分量之和的形式，從而解出頻域信息； 也可以反過來，將頻域上的信息變換為時(shí)域信號(hào)。由此聯(lián)系到數(shù)字光通信領(lǐng)域，在理論上可以利用光學(xué)離散傅里葉變換算法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的復(fù)用；通俗地講，則是將多路信號(hào)看成頻域上的信息，通過這種算法合成一個(gè)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傳輸，然后利用逆算法，將頻域上的信息解復(fù)用，從而提高帶寬利用率。我們從中獲得啟發(fā)，想到通過光子集成技術(shù)，設(shè)計(jì)特定的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于利用光子集成技術(shù)，提供一種多路并行正交相位調(diào)制(OQPSK)和全光離散傅里葉變換(ODFT)的波導(dǎo)芯片結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)在較低的調(diào)制速率下達(dá)到高碼率傳輸?shù)墓δ?。在我們的具體實(shí)施例中，采用4組(8路)并行的12. 5Gbps電調(diào)制信號(hào)源和12. 5GHz的光脈沖發(fā)生器，通過本發(fā)明的芯片結(jié)構(gòu)，將一路光脈沖分為四路信號(hào)，分別進(jìn)行正交相位調(diào)制，再經(jīng)過全光離散傅里葉變換，實(shí)現(xiàn)KKXibps的信號(hào)傳輸。(二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種基于光離散傅里葉變換的四路并行數(shù)字調(diào)制和正交復(fù)用的波導(dǎo)芯片結(jié)構(gòu)，該波導(dǎo)芯片結(jié)構(gòu)包括Y型波導(dǎo)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)、四個(gè)雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列和四個(gè)全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元，實(shí)現(xiàn)了四路并行光脈沖的正交相位調(diào)制(QPSK)和正交復(fù)用。上述方案中，所述Y型波導(dǎo)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)由第一 Y型波導(dǎo)Y1、第二 Y型波導(dǎo)Y2、第三Y 型波導(dǎo)Y3、第四Y型波導(dǎo)Y4、第五Y型波導(dǎo)TO和第六Y型波導(dǎo)Y6級(jí)聯(lián)而成，用于保證每一路對(duì)應(yīng)的通道光程均相等，其中，第一 Y型波導(dǎo)Yl的兩個(gè)波導(dǎo)分支分光比為3 1，前者接入第二 Y型波導(dǎo)Y2，后者接入第四雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列M4 ；第二 Y型波導(dǎo)Y2的兩個(gè)波導(dǎo)分支分光比為2 1，前者接入第三Y型波導(dǎo)TO，后者接入第三雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列M3;第三Y型波導(dǎo)TO的兩個(gè)波導(dǎo)分支分光比為1 1，分別接入第一雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列Ml和第二雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列M2。上述方案中，所述四個(gè)雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列包括第一雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列Ml、第二雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列M2、第三雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列M3和第四雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列M4，其分別用于進(jìn)行全光信號(hào)的數(shù)字調(diào)制，其中，第一雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列Ml、第二雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列M2、第三雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列M3和第四雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列M4并行排列；信號(hào)電極I1、Q1、I2、Q2、I3、Q3、I4、 Q4通過芯片底部引線，外接數(shù)字調(diào)制信號(hào)源；電極GND為接地電極。上述方案中，所述四個(gè)全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元包括第一全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元F1、第二全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元F2、第三全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元 F3和第四全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元F4，其中，第一全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元F1、 第二全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元F2、第三全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元F3和第四全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元F4分別與四個(gè)并行的第一雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列Ml、第二雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列M2、第三雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列M3和第四雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列M4通過波導(dǎo)相連接。上述方案中，其特征在于，所述四個(gè)全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元均是分別由四段波導(dǎo)構(gòu)成的，每一段波導(dǎo)均選取長(zhǎng)為L(zhǎng)的子段摻雜鈮酸鋰，得到附加相移。所述附加相移的相移值根據(jù)離散傅里葉變換公式設(shè)置。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、本發(fā)明提供的四路并行數(shù)字調(diào)制和正交復(fù)用的波導(dǎo)芯片結(jié)構(gòu)，采用光子集成技術(shù)，并集成了雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器MZM陣列，實(shí)現(xiàn)了四路光信號(hào)的并行數(shù)字調(diào)制和正交復(fù)用。2、本發(fā)明提供的這種四路并行數(shù)字調(diào)制和正交復(fù)用的波導(dǎo)芯片結(jié)構(gòu)，是基于光離散傅里葉變換，通過光學(xué)相位的正交編碼，實(shí)現(xiàn)多路光信號(hào)的復(fù)用；該波導(dǎo)芯片結(jié)構(gòu)使用較低速率的器件就能傳輸高速信號(hào)，相比傳統(tǒng)的時(shí)分復(fù)用技術(shù)，大大提高了色散和碼間串?dāng)_的容限，提升了通信系統(tǒng)的傳輸性能。


圖1是本發(fā)明提供的四路并行數(shù)字調(diào)制和正交復(fù)用的波導(dǎo)芯片結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是本發(fā)明提供的四路并行數(shù)字調(diào)制和正交復(fù)用的波導(dǎo)芯片結(jié)構(gòu)中右側(cè)離散傅里葉變換波導(dǎo)單元Fl的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明在實(shí)際通信系統(tǒng)中的具體實(shí)施圖示。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明提供的四路并行數(shù)字調(diào)制和正交復(fù)用的波導(dǎo)芯片結(jié)構(gòu)，采用光子集成技術(shù)，并集成了雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德相位調(diào)制器陣列，實(shí)現(xiàn)了四路光信號(hào)的并行數(shù)字調(diào)制和正交復(fù)用。如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的四路并行數(shù)字調(diào)制和正交復(fù)用的波導(dǎo)芯片結(jié)構(gòu)的示意圖，該波導(dǎo)芯片結(jié)構(gòu)包括Y型波導(dǎo)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)、四個(gè)雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列和四個(gè)全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元，實(shí)現(xiàn)了四路并行光脈沖的正交相位調(diào)制(QPSK)和正交復(fù)用。其中，所述Y型波導(dǎo)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)由第一 Y型波導(dǎo)Yl、第二 Y型波導(dǎo)Y2、第三Y型波導(dǎo) B、第四Y型波導(dǎo)Y4、第五Y型波導(dǎo)TO和第六Y型波導(dǎo)Y6級(jí)聯(lián)而成，用于保證每一路對(duì)應(yīng)的通道光程均相等，其中第一 Y型波導(dǎo)Yl的兩個(gè)波導(dǎo)分支分光比為3 1，前者接入Y2， 后者接入M4;第二 Y型波導(dǎo)Y2的兩個(gè)波導(dǎo)分支分光比為2 1，前者接入TO，后者接入M3; 第三Y型波導(dǎo)的兩個(gè)波導(dǎo)分支分光比為1 1，分別接入M2和Ml ;Y1、Y2、Y3J4、Y5、Y6的級(jí)聯(lián)關(guān)系如圖1所示。所述四個(gè)雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列包括第一雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列Ml、第二雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列M2、第三雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列M3和第四雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列M4，其分別用于進(jìn)行全光信號(hào)的數(shù)字調(diào)制，其中M1、M2、M3、M4并行排列， 分別由上下兩段摻雜鈮酸鋰的波導(dǎo)、兩個(gè)信號(hào)電極(I、Q)和接地電極(GND)組成。所述四個(gè)全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元包括第一全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元 F1、第二全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元F2、第三全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元F3和第四全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元F4，其中四個(gè)波導(dǎo)單元(F1、F2、F3、F4)分別與四個(gè)并行的馬赫曾德調(diào)制器(M1、M2、M3、M4)通過波導(dǎo)相連。所述四個(gè)全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元均是分別由四段波導(dǎo)構(gòu)成的，實(shí)現(xiàn)脈沖延時(shí)和移相，即光學(xué)離散傅里葉變換。其中，四段波導(dǎo)分支兩兩間的長(zhǎng)度差為所采用的光脈沖空間寬度，每一段波導(dǎo)均選取長(zhǎng)為ζ的子段摻雜適當(dāng)濃度的鈮酸鋰，得到附加相移，該附加相移的相移值根據(jù)離散傅里葉變換公式設(shè)置，即第 k個(gè)全光傅里葉變換波導(dǎo)單元中的第η條波導(dǎo)通道，移相值為A^a =( -1)@-1怵/2 ；具體方法通過控制鈮酸鋰的摻雜濃度來實(shí)現(xiàn)。請(qǐng)參見表1。
圖2是本發(fā)明提供的四路并行數(shù)字調(diào)制和正交復(fù)用的波導(dǎo)芯片結(jié)構(gòu)中右側(cè)離散傅里葉變換波導(dǎo)單元Fl的結(jié)構(gòu)示意圖。下面以此為例作詳細(xì)說明。如圖所示，第三段波導(dǎo)通道(W;3)比第一段波導(dǎo)通道(Wl)，第四段波導(dǎo)通道(W4)比第二段波導(dǎo)通道(M)各長(zhǎng)兩個(gè)脈沖寬度的光程，第二段波導(dǎo)通道_比第一段波導(dǎo)通道(Wl)長(zhǎng)一個(gè)脈沖寬度的光程， 利用光程差實(shí)現(xiàn)光脈沖時(shí)序排列，陰影部分摻雜鈮酸鋰，實(shí)現(xiàn)光學(xué)移相。具體作法是選擇長(zhǎng)度為ζ的波導(dǎo)段(PI、P2、P3、P4)注入鈮酸鋰，改變波導(dǎo)折射率，從而實(shí)現(xiàn)附加移相，其中，
附加移相與折射率變化的關(guān)系表達(dá)式為
權(quán)利要求
1.一種基于光離散傅里葉變換的四路并行數(shù)字調(diào)制和正交復(fù)用的波導(dǎo)芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于，該波導(dǎo)芯片結(jié)構(gòu)包括Y型波導(dǎo)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)、四個(gè)雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列和四個(gè)全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元，實(shí)現(xiàn)了四路并行光脈沖的正交相位調(diào)制和正交復(fù)用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光離散傅里葉變換的四路并行數(shù)字調(diào)制和正交復(fù)用的波導(dǎo)芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述Y型波導(dǎo)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)由第一 Y型波導(dǎo)Y1、第二 Y型波導(dǎo)Y2、 第三Y型波導(dǎo)Y3、第四Y型波導(dǎo)Y4、第五Y型波導(dǎo)TO和第六Y型波導(dǎo)Y6級(jí)聯(lián)而成，用于保證每一路對(duì)應(yīng)的通道光程均相等，其中，第一 Y型波導(dǎo)Yl的兩個(gè)波導(dǎo)分支分光比為3:1，前者接入第二 Y型波導(dǎo)Y2，后者接入第四雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列M4 ；第二 Y型波導(dǎo)Y2的兩個(gè)波導(dǎo)分支分光比為2 1，前者接入第三Y型波導(dǎo)TO，后者接入第三雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列M3;第三Y型波導(dǎo)TO的兩個(gè)波導(dǎo)分支分光比為1 1，分別接入第一雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列Ml和第二雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列M2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光離散傅里葉變換的四路并行數(shù)字調(diào)制和正交復(fù)用的波導(dǎo)芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述四個(gè)雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列包括第一雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列Ml、第二雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列M2、第三雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列M3 和第四雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列M4，其分別用于進(jìn)行全光信號(hào)的數(shù)字調(diào)制，其中，第一雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列Ml、第二雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列M2、第三雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列M3和第四雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列M4并行排列；信號(hào)電極I1、Q1、I2、Q2、13、 Q3、14、Q4通過芯片底部引線，外接數(shù)字調(diào)制信號(hào)源；電極GND為接地電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光離散傅里葉變換的四路并行數(shù)字調(diào)制和正交復(fù)用的波導(dǎo)芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述四個(gè)全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元包括第一全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元F1、第二全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元F2、第三全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元F3和第四全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元F4，其中，第一全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元Fl、第二全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元F2、第三全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元F3和第四全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元F4分別與四個(gè)并行的第一雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列Ml、 第二雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列M2、第三雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列M3和第四雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列M4通過波導(dǎo)相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于光離散傅里葉變換的四路并行數(shù)字調(diào)制和正交復(fù)用的波導(dǎo)芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述四個(gè)全光離散傅里葉變換波導(dǎo)單元均是分別由四段波導(dǎo)構(gòu)成的，每一段波導(dǎo)均選取長(zhǎng)為L(zhǎng)的子段摻雜鈮酸鋰，得到附加相移。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于光離散傅里葉變換的四路并行數(shù)字調(diào)制和正交復(fù)用的波導(dǎo)芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述附加相移的相移值根據(jù)離散傅里葉變換公式設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光離散傅里葉變換的四路并行數(shù)字調(diào)制和正交復(fù)用的波導(dǎo)芯片結(jié)構(gòu)，包括Y型波導(dǎo)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)、四個(gè)雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列和四個(gè)全光離散傅里葉變換(ODFT)波導(dǎo)單元，在較低的電調(diào)制速率下，實(shí)現(xiàn)了更高速率的信息傳輸，降低了對(duì)電子處理速度的要求，有效突破了電子瓶頸的限制，很大程度上提升了通信帶寬利用率。本發(fā)明利用12.5Gbps的電調(diào)制速率就達(dá)到了100Gbps的傳輸碼率，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，有效提升了密集波分復(fù)用系統(tǒng)(DWDM)中單信道的帶寬利用率，有望用于光通信主干網(wǎng)的信號(hào)調(diào)制和正交復(fù)用。本發(fā)明基于先進(jìn)的光子集成技術(shù)，設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)全光傅里葉變換的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并集成了雙驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器陣列，結(jié)構(gòu)緊湊，大大降低功耗。
文檔編號(hào)H04J14/02GK102164017SQ20111006792
公開日2011年8月24日 申請(qǐng)日期2011年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月21日
發(fā)明者羅振敖, 謝亮 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所