CN107634805A - 控制能用于脉冲幅度调制信号的光发射器的方法 - Google Patents

控制能用于脉冲幅度调制信号的光发射器的方法 Download PDF

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Abstract

本文公开了一种输出具有脉冲幅度调制(PAM)配置的光信号的光发射器。光发射器包括光产生装置和驱动器。光产生装置在电驱动信号与光信号之间的转换特性方面具有非线性。驱动器包括PAM信号发生器、电平控制器和输出驱动器。PAM信号发生器接收输入电信号并输出PAM信号。电平控制器根据光产生装置的非线性转换特性来调节PAM信号的电平，这里，电平设定光信号的具有预定比率的光水平。输出驱动器通过将由电平控制器调节的电平与从PAM信号发生器提供的PAM信号叠加来产生驱动信号。

Description

控制能用于脉冲幅度调制信号的光发射器的方法
技术领域
本发明涉及一种控制光发射器的方法，该光发射器输出与脉冲幅度调制(PAM)信号对应且具有多个水平(level)的光信号。
背景技术
日本专利申请公开No.JP-2002-141956A已公开了一种光接收器，该光接收器能够根据输入光信号来自动调节用于区分高电平与低电平的确定电平。这里所公开的光接收器包括光检测器、用于自动产生确定电平的确定单元以及时钟提取器，该时钟提取器提取输入光信号中所涉及的时钟，并向确定单元提供如此提取出的时钟。
通常被称为脉冲幅度调制(PAM)的技术是已知的，并实际应用在需要以极高速度传输大量数据的通信***中。例如，当通信***构造为具有使用四个光水平(每个以“00”至“11”的二位数据来表示)的PAM 4架构(即，PAM 4架构)时，该***首先产生要向光源(通常为半导体激光二极管(LD))提供的具有四个电平的PAM 4信号。然后向LD提供PAM 4信号，并且LD发射具有四个光水平的光。设置为与光源分离的光接收器接收PAM 4光信号，并从PAM4光信号中恢复数据。
LD，尤其是电信号至光信号的转换特性(其常常被称为I-L特性)，在光输出与电输入之间不可避免地表现出非线性。因此，接收具有四个电平的PAM 4信号的LD常常产生反映了LD的I-L特性的非线性的具有四个光水平的光信号。也就是说，即使当被输入至LD的具有四个电平的电信号彼此均一分布时，从LD输出的光信号的四个水平也具有不均一的差值。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种光发射器，该光发射器输出具有脉冲幅度调制(PAM)配置的光信号，并包括光产生装置以及用于驱动光产生装置的驱动器。光产生装置可以通过接收来自驱动器的电驱动信号来产生光信号。光产生装置的从电驱动信号至光信号的转换特性具有非线性。驱动器可以通过接收输入电信号来产生电驱动信号。驱动器包括PAM信号发生器、电平控制器和输出驱动器。PAM信号发生器可以通过接收输入信号来输出PAM信号。电平控制器可以根据光产生装置的转换特性来调节PAM信号的电平，这里，电平将光信号的光水平设定为具有预定比率。输出驱动器可以通过将由电平控制器调节的电平与从PAM信号发生器提供的PAM信号叠加来产生电驱动信号。
本发明的另一方面涉及一种控制光发射器的方法，该光发射器输出具有n个光水平的光信号。该方法包括如下步骤：(1)通过设定光信号的上限值和下限值来确定光信号的全范围；(2)通过设定包括全范围的上限值和下限值在内的n个光水平来将光信号的全范围划分成n-1个子范围，使得n个光水平具有预定比率；以及(3)根据光产生装置的从电驱动信号至光信号的非线性的转换特性来确定电驱动信号的n个电平，这里，光产生装置由电驱动信号驱动。
附图说明
参考附图，通过阅读本发明的优选实施例的以下详细描述，将能更好地理解上述和其它目的、方面和优点，其中：
图1是根据本发明的第一实施例的光发射器的功能框图；
图2A至图2C分别示出了在图1的光发射器中应用的光产生装置的转换特性、被输入至光产生装置的电信号的眼图以及从光产生装置输出的光信号的眼图；
图3示出了根据本发明的实施例的利用电信号的电平补偿光信号的光水平的流程图；
图4A至图4C分别示出了光产生装置的转换特性、被输入至光产生装置的电信号(没有补偿电信号的电平)的眼图以及从光产生装置输出的光信号的眼图；
图5是根据本发明的第二实施例的另一光发射器的功能框图，其中，光发射器配备有半导体激光二极管(LD)和作为光产生装置的外部光调制器；
图6A至图6C分别示出了光产生装置的转换特性、被输入至光产生装置的电信号(补偿了电信号的电平)的眼图以及从光产生装置输出的光信号的眼图的实例；
图7A至图7C分别示出了光产生装置的转换特性、被输入至光产生装置的电信号(补偿了电信号的电平)的眼图以及从光产生装置输出的光信号的眼图的另一实例；
图8A至图8C分别示出了光产生装置的转换特性、被输入至光产生装置的电信号(补偿了电信号的电平)的眼图以及从光产生装置输出的光信号的眼图的另一实例；
图9A至图9C分别示出了光产生装置的转换特性、被输入至光产生装置的电信号(补偿了电信号的电平)的眼图以及从光产生装置输出的光信号的眼图的另一实例；
图10示出了用于补偿光信号的光水平与电信号的电平之间的非线性的流程图；
图11是从图5中所示的第二实施例的光发射器变型而来的根据本发明的第三实施例的光发射器的功能框图；
图12是根据本发明的第四实施例的光发射器的功能框图；
图13示出了在图12中所示的光发射器中应用的光产生装置的转换特性的温度相关性；
图14A至图14C分别示出了在室温下光产生装置的转换特性、被输入至光产生装置的电信号(补偿了电信号的电平)的眼图以及从光产生装置输出的光信号的眼图的实例；
图15A至图15C分别示出了在显著高于室温的温度下光产生装置的转换特性、被输入至光产生装置的电信号(补偿了电信号的电平)的眼图以及从光产生装置输出的光信号的眼图的实例；
图16示出了用于补偿光产生装置的转换特性的非线性的温度相关性的流程图；以及
图17是从图12中所示的光发射器变型而来的光发射器的功能框图。
具体实施方式
接下来，将参考附图对根据本发明的一些优选实施例进行描述。在附图的描述中，彼此相同或相似的编号或标记表示彼此相同或相似的元件，而不做重复说明。
第一实施例
图1示出了根据本发明的第一实施例的光发射器的功能框图。图1所示的光发射器1可以应用于构造为具有脉冲幅度调制(PAM)的光通信***。光发射器1可以将输入电信号转换成PAM信号，并可以输出由PAM信号调制的光信号。本实施例的光发射器1包括光产生装置2、光检测器3、驱动器4和输入端子5。
光产生装置2是集成有半导体激光二极管(LD)的常被称为EML的电吸收式调制器的类型。光产生装置2具有如下特征：半导体激光二极管产生被供应DC偏压的连续波(CW)，而电吸收式调制器(EM)调制设置有具有PAM配置的驱动信号的CW光。因此，光产生装置可以发射具有PAM配置的前光信号L1以及具有CW配置的后光信号L2。
与光产生装置2光耦合的光检测器3可以检测后光信号L2。本实施例提供光电二极管(PD)作为光检测器3。光检测器3可以检测CW光的功率。
驱动器4可以具有如下功能：电驱动光产生装置2以及保持用于操作光产生装置2的各种参数。驱动器4与光产生装置2、光检测器3和输入端子5电连接。虽然本实施例提供驱动器4作为单个元件或芯片，但光发射器1可以将驱动器4的功能划分给各个元件或芯片。驱动器4可以提供存储器11、控制器12、电平控制器13、PAM信号发生器14和输出驱动器15。
将参考图2A至图2C对存储器11、控制器12、电平控制器13、PAM信号发生器14和输出驱动器15的功能和操作进行描述，其中，图2A示出了驱动性能得到调节的光产生装置2的转换特性21(稍后将在本说明书中进行描述)。也就是说，图2A示出了在光产生装置2(具体而言，光产生装置2中的LD)输出EM的CW光并且基于驱动信号的电平的EM使CW光的光功率衰减时的前光信号L1的功率。横轴表示以电压(V)为单位的驱动信号的电平；而纵轴表示以毫瓦分贝(dBm)为单位的光信号L1的光学功率。图2B与向光产生装置2提供的驱动信号的眼图对应，而图2C与光信号L1的另一眼图对应。
驱动器4中的存储器11可以是存储用于操作光产生装置2的参数的只读存储器(ROM)的类型。这些参数包括电驱动信号的功率与光信号L1的功率之间的关系，该关系为图2A示例性示出的光产生装置2的转换特性21。
控制器12根据光检测器3的检测来设定光产生装置2的光信号的上限值。控制器12可以通过接收从光检测器3输出的光电流的幅值来设定光产生装置2的光信号的上限值。例如，如图2A所示，控制器12将光信号的上限值设定为-6.5dBm。
电平控制器13可以通过参考光信号的如此确定的上限值以及存储在存储器11中的转换特性21来调节向光产生装置2提供的驱动信号的驱动范围和电平。向光产生装置2提供的驱动信号从输出驱动器15中输出，并具有从PAM信号发生器14所提供的PAM信号转换而来的多电平配置。上述驱动范围为电驱动信号的电压范围。如图2A所示，电平控制器13可以根据转换特性21和输出光功率的上限值来将驱动范围设定为-2.5V至-0.5V。
电平控制器13还可以根据转换特性21设定驱动信号的各个电平，使得从光产生装置2输出的光信号L1的光水平具有预定比率。例如，电平控制器13首先确定配备有本光发射器1的***所要求的光信号L1的全范围，即，光信号的上限值和下限值。具体而言，在EM基本上没有造成衰减的情况下，从光产生装置中的LD输出的CW光的最大光学功率变得大致上等于与上限值对应的功率。在光发射器操作之前得到前光L1的功率与后光L2的功率之间的关系，可以确定向LD供应的偏压，使得在EM基本上不造成衰减的情况下，后光L2的功率变得与前光L1的上限值对应。然后，在将向LD供应的偏压保持为一值而使前光L1变为上限值时，可以确定驱动信号的最小值为如下值：其使前光L1变为光信号的下限值。接下来，电平控制器13通过将光信号的全范围划分成三个子范围来设定四个光水平Level_0至Level_3，这里，光水平Level_0至Level_3具有***同样需要且存储在存储器11中的预定比率，其中，最小水平Level_0对应于光信号的下限值，而最大水平Level_3对应于光信号的上限值。第三，电平控制器13通过逆向地参考转换特性21确定四个电平level_0至level_3，每个电平对应于四个光水平Level_0至Level_3。
进一步具体地描述电平控制器13的操作。在第一步骤中，电平控制器13将光信号L1的全范围设定为由***限定的-20dBm至-6.5dBm。然后，确定向光产生装置2中的LD供应的偏压，使得在EM不造成衰减的情况下，前光L1的功率变为上限值；并且在保持LD的输出功率的同时，设定电平的最大值，使得光信号L1的功率变为下限值。接下来，电平控制器13将光信号的全范围分成三个子范围。在以下描述中，光信号的三个子范围具有彼此大致相等的宽度，即，电平控制器13可以将光信号的全范围均一地分成宽度均为4.5dBm的三个子范围。具体而言，电平控制器13将-20dBm的光学功率视为Level_0，将-15.5dBm的光学功率视为Level_1，将-11.0dBm的光学功率视为Level_2，并且将-6.5dBm的光学功率视为Level_3。因此，Level_1与Level_0的差值B4为4.5dBm，Level_2与Level_1的差值B5也为4.5dBm，并且Level_3与Level_2的差值B6为4.5dBm。最后，电平控制器13将驱动信号的电平确定为-2.5V、-1.5V、-1.0V和-0.5V，通过逆向地参考图2A所示的转换特性21，每个电平对应于光学功率中的Level_0至Level_3。
PAM信号发生器14可以将从输入端子5提供的信号转换成向输出驱动器15提供的PAM信号的配置，但由PAM信号发生器14由此转换的PAM信号具有均匀布置的电平。输出驱动器15可以通过将由电平控制器确定的电平叠加到来自PAM信号发生器14的PAM信号上来产生具有电平level_0至level_3的驱动信号，这些驱动信号之间具有相应差值，并将由此产生的驱动信号提供至光产生装置2。因此，光产生装置2可以产生光信号L1，光信号L1设置有具有大致均一差值和预定比率的光水平。
以上描述集中在：操作电平变换器13来调节驱动信号的电平level_0至level_3，以均匀地处理光信号中的光水平Level_0至Level_3。然而，配备有光发射器1的通信***常常要求光信号具有PAM配置，使得光信号的眼图中的交叉点(cross point)被置于彼此邻近的光水平之间的相应中心。在这种方案中，进一步需要电平控制器13调节驱动信号的眼图中的交叉点。具体而言，如图2B所示，电平level_0和level_1之间的交叉点接近level_0，电平level_1和level_2之间的交叉点大致上被置于这两个电平level_1和level_2之间的中心，并且两个电平level_2和level_3之间的交叉点被置于接近level_2。因此，光产生装置2可以输出如下光信号L1：不仅光水平Level_0至Level_3具有预定比率或光水平Level_0至Level_3之间具有大致均一差值，而且光水平Level_0至Level_3之间的交叉点大致上被置于两个光水平之间的中心。
接下来，将参考图3对操作根据本实施例的光发射器1的算法进行描述，图3示出了用于操作光发射器1(确切的说，用于产生具有PAM配置的光信号)的流程图。在第一步骤S11，光发射器1在改变向光产生装置2供应的偏压的同时借助于光检测器3检测光产生装置2的后光信号L2的功率，并且将向EM供应的驱动信号设定为使EM基本上不造成衰减的恒定值。
接下来，在第二步骤S12，控制器12确定光信号的上限值和下限值以及光产生装置2的转换特性(尤其是，光产生装置2中的EM的衰减特性)。如上所述，因为光信号的上限值和下限值由***确定，所以电平控制器首先调节向LD供应的偏压，使得在将EM设定为处于不衰减的状态时，光检测器3检测后光L2的与前光L1的上限值对应的功率。然后，在改变驱动信号的电平使得EM根据驱动信号的电平表现出显著衰减时，确定光产生装置2的转换特性以及驱动信号的设定光信号L1下限值的最小电平。在确定转换特性和驱动信号的最小电平期间，利用自动功率控制(APC)将光产生装置2中的LD的CW光的功率保持为如下恒定值：在EM不表现出衰减时该值使前光L1变为上限值。可以在实际操作光发射器1之前进行步骤S11和S12，并且可以将由此得到的转换特性存储在存储器11中。
在第三步骤S13(在光发射器1的实际操作中，可以在装运光发射器1之后进行第三步骤S13)，控制器12读取从存储器11输出的转换特性21。然后，在第四步骤S14，电平控制器13可以通过参考转换特性21和步骤S11中所确定的光功率的上限值来确定向光产生装置2提供的电信号的驱动范围。
最后，在第五步骤S15，电平控制器13根据转换特性21和电信号的驱动范围来设定驱动信号的各个电平level_0至level_3，使得光信号的光水平Level_0至Level_3具有相应预定比率。在本实施例中，各个光水平Level_0至Level_3可以被认为是具有大致均一的差值。因此，可以通过步骤S11至S15来调节光发射器1的操作。
将参考图4A至图4C对用于操作光产生装置2或控制光发射器1的方法的优点进行描述，图4A至图4C示意性地示出了在不对电平进行任何调节的情况下光发射器1的操作。类似于图2A，在图4A中，横轴对应于电驱动范围，而纵轴表示从光产生装置2输出的光信号L1的功率。图4B示例性地示出了向光产生装置2提供的驱动信号的眼图，而图4C示出了从光产生装置2输出的光信号L1的眼图。
将比较图4A与图2A来详细描述转换特性21。将转换特性21大致分成三个区域，这三个区域中的一个区域具有光信号相对于电驱动信号表现出的大致线性，其他两个区域将前者区域置于这两个区域之间，这两个区域明显地表现出非线性。具体而言，在驱动信号与光输出之间，在-1.5V至-0.5V的驱动范围内可以反映出大致线性，而-2.5V至-1.5V和-0.5V至0.5V的其他范围被认为是非线性。
因此，如图4B和图4C所示，通过输入具有四个电平level_0至level_3的具有均一差值B1至B3的驱动信号，从光产生装置2输出的光信号L1显著地劣化。也就是说，四个光水平Level_0至Level_3表现出具有显著差别的差值B4至B6。此外，交叉点偏离两个光水平之间的中心。这种劣化的眼图有时造成设计电平与实际呈现的电平之间的偏移。例如，通过输入与level_1对应的驱动信号，从光产生装置2输出的光信号的水平设定为Level_2。因此，不具有对电信号与光信号之间的转换特性的非线性进行补偿的功能的光发射器不能够准确地发送具有多个水平的光信号。此外，当光发射器1对光产生装置2(即，光产生装置2内部中的LD)进行自动功率控制(APC)(这可能使光输出信号L1的上限值变化)时，光功率的全范围也需要随着上限值的变化而变化。因此，对电信号的幅值的控制变得不规则且极复杂，这造成数据传输中的误码率。
另一方面，当光发射器1对图2C所示的转换特性的非线性进行修正时，在光发射器1的实际操作之前，将光信号的上限值设定为-6.5dBm，并将电信号的驱动范围设定为-2.5V至0.5V。此外，电平level_0至level_3的驱动范围可以被设定为使得光水平Level_0至Level_3的差值彼此大致相等。因此，通过调节驱动信号的电平以将光信号的光水平设定为具有均一差值，使得即使光信号具有多水平信号的配置，光发射器1也可以产生修正的光信号的逻辑水平。
光发射器1和修正PAM信号的电平的方法不限于图1所示和图3示意性所示的这些构造，而是可以具有各种改变和变型。例如，光信号的全范围的上限值(在修正电平之前由APC模式确定)不限于-6.5dBm，而是可以选择性地设定。即使在这种情况下，驱动信号的电平也可以被确定为使得光信号的光水平可以具有预定比率。此外，无需均一地设定光水平的差值。可以将光水平的差值设定为具有预定比率。
此外，在图1所示的构造中，光检测器3检测背面光信号L2。光检测器3可以通过将前光信号L1分成两部分的分光器、半反射镜等检测前光信号L1。图1所示的实施例接收具有PAM配置的PAM 4信号。然而，光发射器1或用于产生具有本实施例的PAM配置的光信号的算法可以应用于例如PAM 8、PAM 16等其他PAM配置。
第二实施例
图5示出了根据本发明的第二实施例的光发射器1A的功能框图。光发射器1还可以应用为用于具有PAM配置的光通信***的光源。光发射器1A具有所谓的间接调制式光发射器的特征，间接调制式光发射器将输入数据转换成PAM信号，并可以产生反映PAM信号的光信号。本光发射器1A可以处理四个电平PAM信号(即，PAM 4信号)，但下述方法可以应用于具有更多电平的其他PAM信号。光发射器1A设置有半导体激光二极管2B(表示为LD)、光产生装置2A、输入端子5和驱动器4A，驱动器4A将电平控制器13A、PAM信号发生器14A和输出驱动器15集成到一起。
LD 2B可以向光产生装置2A发射CW光L1B，其中，可以借助于自动功率控制(APC)来设定光信号L1B的上限值。虽然光发射器1A具有用于如图5所示的光源的所谓的外调制构造；但光发射器1A可以提供直接调制构造的功能，其中，LD 2B被驱动器4A直接驱动，并省略光产生装置2A。
本实施例的与LD 2B光耦合的光产生装置2A可以为电吸收(EA)式调制器类型的光调制器，其产生由驱动器4A调制的光信号L1A。从驱动器4A(确切的说，驱动器4A中的输出驱动器15)提供驱动光产生装置2A的驱动信号。驱动信号源自如下输入信号：该输入信号具有从输入端子5经由m条信号线被输入至驱动器4A的多条数据，这里，m是大于一的整数。因此，光信号具有采用PAM配置的2m个电平。当m等于2时，光发射器1A被认为是PAM 4配置。类似的是，当m为3、4等时，光发射器1A被认为是PAM 8、PAM 16配置等。换句话说，当光发射器1A被认为是PAM n配置时，输入数据m由m＝log2(n)＝log10(n)/log10(2)限定。
被输入至光产生装置2A的驱动信号与从光产生装置2A输出的光信号L1A之间的关系取决于光产生装置2A的转换特性或E/O转换特性，尤其是光产生装置2A的类型和/或电气地提供至光产生装置2A的偏压电平。可以在实际操作之前或在光发射器1A的装运之前测量转换特性，并可以将其存储在驱动器4A中。
将参考图6A、图7A、图8A和图9A来具体地描述光产生装置2A的转换特性，这里，这些附图在下文中被称为图6A至图9A。在图6A至图9A中，横轴表示以电压(V)为单位的驱动范围，而纵轴与以毫瓦分贝(dBm)为单位的光信号L1A对应。如图6A至图9A明确显示的那样，光产生装置2A的转换特性21具有：线性区域，在线性区域中，光信号的功率线性地取决于电驱动信号；以及非线性区域，在非线性区域中，输出信号相对于输入驱动信号非线性地增大。具体而言，对-1.25V至-0.75V的驱动信号而言，光信号线性地增大；而-2.5V至-1.25V和-0.75V至0.5V的区域表现出驱动信号与输出光学功率之间的非线性相关性。
电平控制器13A与范围选择器7联接，范围选择器7包括若干个均与电平控制器13A直接联接的端子。范围选择器7接收选择信号，选择信号确定光产生装置2A的驱动范围之一，这里，驱动范围由驱动信号的上限值和下限值(其根据光产生装置2A的性能变化而确定)确定。选择信号(确切的说，选择信号的数量以及输入选择信号的端子或数量和端子的组合)可以选择驱动范围中的一个。光发射器1可以通过改变数量和端子来选择光产生装置2A的驱动范围之一。在图5所示的实施例中，四个选择信号可以确定驱动范围。
驱动器4A可以进行算术运算且存储用于操作光产生装置2A的各种参数，驱动器4A与光产生装置2A、范围选择器7和输入端子5相连。驱动器4A包括电平控制器13A、PAM信号发生器14A和输出驱动器15。驱动器4A可以将这些单元13A至15集成到单个半导体芯片上，或可以将这些单元应用到各离散单元中。接下来，将参考附图对电平控制器13A、PAM信号发生器14A和输出驱动器15的操作进行描述，这里，图6B、图7B、图8B和图9B(在下文中被表示为图6B至图9B)示出了驱动信号的眼图；而图6C、图7C、图8C和图9C(在下文中被表示为图6C至图9C)示出了从光产生装置2A输出的光信号L1A的眼图。
电平控制器13A可以根据转换特性的由范围选择器7选择的驱动范围来确定驱动信号的电平level_0至level_3，使得输出光信号L1A的水平Level_0至Level_3之间的差值具有相应预定比率。例如，首先，电平选择器13A接收来自范围选择器7的范围信号，然后确定与该范围信号对应的驱动范围。其次，电平选择器13A根据光产生装置2A的转换特性确定与上述驱动范围对应的光信号L1B的全范围；并且将由此确定的全范围分成三个子范围，这三个子范围每个具有通过设定每者具有预定比率的四个水平Level_0至Level_3而得到的预定宽度。最后，电平选择器13A通过逆向地参考转换特性21来确定分别与光水平Level_0至Level_3对应的电平level_0至level_3的驱动范围。
将具体描述电平控制器13A的操作。例如，通过接收第一范围选择信号，电平控制器13A将驱动范围设定为-2.5V至+0.5V，如图6A所示。当接收第二范围选择信号时，电平控制器13A将驱动范围设定成-2.5V至-0.5V。类似的是，对第三和第四选择信号而言，电平控制器13A可以分别设定为-1.5V至-0.5V和-1.5V至-0.75V的驱动范围。
接下来，电平选择器13A可以评估输出光信号L1B的与这些驱动范围对应的全范围。具体而言，对-2.5V至+0.5V、-2.5V至-0.5V、-1.5V至-0.5V和-1.5V至-0.75V的驱动范围而言，电平控制器13A将全范围分别设定为-20dBm至-2dBm、-20dBm至-6dBm、-16dBm至-6dBm和-16dBm至-8dBm，每个范围分别对应于第一至第四选择信号。
接下来，电平控制器13A将由此确定的全范围分成均具有预定宽度的三个子范围。在下述实施例中，电平控制器13A将全范围均匀地分成三个子范围。当选择将输出光信号L1B的全范围限定为18dBm的第一选择信号时，各子范围的宽度B4至B6为6dBm。因此，电平控制器13A在转换特性21中将第一光水平Level_0设定为-20dBm，将第二光水平Level_1设定为-14dBm，将第三光水平Level_2设定为-8dBm，并且将第四光水平Level_3设定为-2dBm。最后，电平控制器13A通过逆向地参考光产生装置2A的转换特性21来确定驱动信号的电平，即，可以确定与光水平Level_0至Level_3对应的电平-2.5V、-1.25V、-0.75V和0.5V。上述方法可以类似地应用于第二至第四选择信号。在配备有PAM配置的光通信***的规格中限定差值B4至B6的预定宽度以及光信号L1A的光水平Level_0至Level_3，并且可以将这些宽度和比率存储在设置在驱动器4A中的存储器中。
PAM信号发生器14A可以将被输入至输入端子5的m个信号转换成具有n个电平的PAM信号，n个电平具有均一布置的间距。本实施例的PAM信号发生器14A提供由m(＝log2(n))限定的两个以上输入端子，这里，m输入的状态限定PAM n信号的n个电平之一。因此，PAM信号发生器14A将m输入信号转换成具有PAM n配置的一个信号。
接收来自PAM信号发生器14A的PAM n信号的输出驱动器15将由电平控制器13A确定的各个电平叠加在PAM n信号上，并将由此产生的PAM信号作为驱动信号提供给光产生装置2A。
接下来，将参考图10所示的流程图来描述控制光发射器1A的方法。首先，在步骤S21，该方法利用范围选择器7选择驱动范围之一，这里，在实际操作光发射器之前，根据光产生装置2A的转换特性的变化来设定驱动范围。
然后，在步骤S22，将在第一步骤S21中选择的一个驱动范围输入至电平控制器13A。随后，在第三步骤S23，电平控制器13A确定驱动信号的电平level_0至level_3，使得光水平Level_0至Level_3之间的差值B4至B6的预定比率或预定宽度在光水平Level_0至Level_3之间彼此大致相等。因此，光发射器1A可以通过进行步骤S21至S23来产生包括光水平Level_0至Level_3的光信号L1A，光水平Level_0至Level_3具有遵循通信***中所确定的规格的差值。
与上述实施例类似的是，电平控制器13A可以设定驱动信号的眼图中所出现的交叉点，从而可以将光信号的眼图中所出现的交叉点大致设定于光水平Level_0至Level_3之间的相应中心。因此，驱动信号的眼图中的交叉点通常偏离电平level_0至level_3之间的相应中心。
第三实施例
图11示出了根据本发明的第三实施例的光发射器1B的功能框图。光发射器1B设置有LD类型的光产生装置2C，光产生装置2C由驱动器4A所提供的驱动信号直接驱动。在光发射器1B的实际操作之前，可以根据LD 2C的电流(I)-光(L)特性(这常常被称为I-L特性)来确定由范围选择器7选择的驱动范围。
电平控制器13A可以设定电平level_0至level_3，使得从LD 2C输出的光信号L1C包括多水平Level_0至Level_3，多水平Level_0至Level_3之间具有预定比率和预定差值。用于确定光产生装置2和2A的电平level_0至level_3的方法也可以应用于LD 2C。也就是说，图10中所示的步骤S21至S23可以应用于配备有作为光产生装置的LD 2C的光发射器1B。具体而言，步骤S21根据该LD 2C的I-L特性来选择一个驱动范围。步骤S22借助于范围选择器7读取范围选择信号。最后，步骤S23通过逆向地参考LD 2C的I-L特性来确定驱动信号的电平level_0至level_3，使得光信号L1C的光水平Level_0至Level_3之间表现出预定比率和预定宽度。
同样在第二和第三实施例中，为了驱动光产生装置2A和2C，光发射器1A和1B分别构造成具有四个电平PAM信号(PAM 4信号)。然而，用于确定驱动信号的电平的方法可以扩展至其他PAM配置，即，八个电平PAM信号(PAM 8)、十六个电平PAM信号(PAM 16)等。
此外，第二实施例和第三实施例的驱动器4A利用范围选择器7选择一个驱动范围。也就是说，光发射器1A和1B设置有具有多个端子的范围选择器7。然而，驱动器4A可以设置有外部可写寄存器来替代范围选择器7，并选择性地读取寄存器中所设定的驱动范围之一。在装运光发射器之后，可以改动该寄存器或驱动范围。
第四实施例
图12是根据本发明的第四实施例的光发射器的另一构造的功能框图。图12所示的光发射器1C还可以应用于构造成具有多电平传输的PAM***的通信***，并配备有间接调制类型的光调制器。接收PAM信号的光发射器1C可以在接收PAM信号之后输出具有多个水平的光信号。本光发射器1C还具有产生四个电平PAM信号的功能。光发射器1C设置有包括LD2B的光产生装置、作为光产生装置2A的EM类型的光调制器、温度传感器8、驱动器4C和输入端子5。虽然图12分开地示出了EM 2A和LD 2B，但这些元件2A和2B也可以被集成到彼此共用的半导体芯片中。此外，虽然以下描述集中于光产生装置2A是EM类型的构造，但光产生装置也可以是马赫-曾德尔类型的调制器。
LD 2B可以向光产生装置2A发射CW光L1B。可以利用用于LD 2B的APC来确定激光L1B的光功率的上限值。此外，驱动器4C可以开启和关闭LD 2B。
与LD 2B光耦合的光产生装置2A可以调制CW光L1B，并向外输出光信号L1A，该光信号L1A的光功率的多个水平与从驱动器4C输出的具有PAM配置的电驱动信号对应。光产生装置2A的从电驱动信号至光信号的转换特性(这表示EM 2A的衰减特性)取决于光产生装置2A的温度。
图13说明了光产生装置2A的转换特性的温度相关性。在图13中，横轴与以电压(V)为单位的电驱动范围对应，而纵轴与以毫瓦分贝(dBm)为单位的从光产生装置2A输出的光信号的功率对应。当光产生装置2A的温度为所谓的室温时，转换特性通常由表现曲线(behavior)21示出。另一方面，当温度变高时，转换特性通常由另一表现曲线21A表示。通过将两条表现曲线对比，电驱动范围的上限值和下限值与光信号L1A的上限值和下限值是不同的。
返回参考图12，温度传感器8可以感测光产生装置2A的温度，可以例如为热敏电阻。驱动器4C可以进行算术操作，并存储用于控制如下部件的各种参数：光产生装置2A、LD2B以及位于驱动器4C中的例如存储器11、控制器12、电平控制器13和PAM信号发生器14等单元。
接下来，将参考图14和图15描述驱动器4C中的操作，具体而言，存储器11、控制器12、电平控制器13和PAM信号发生器14的操作。图14A和图15A示出了在各温度下的光产生装置2A的转换特性21和21A；图14B和图15B示出了被输入至驱动器14C的电驱动信号的眼图；并且图14C和图15C示出了从光产生装置2A(进行过电平补偿)输出的光信号L1A的眼图。
存储器11是存储用于操作光产生装置2A的各种参数的所谓的只读存储器(ROM)的类型。存储在存储器11中的各种参数包括基于光产生装置2A的温度的各种驱动范围(在装运光发射器1C之前得到)。
控制器12基于光产生装置2A的利用温度传感器8测量出的温度取出存储在存储器11中的一个驱动范围。例如，控制器12基于光产生装置2A的温度从ROM 11中读取图14A所示的转换特性21。在光信号表现出光水平Level_0至Level_3之间具有预定比率和预定宽度的温度下，电平控制器13设定驱动范围，具体而言，设定电平level_0至level_3。例如，电平控制器13可以估计光信号的与向光产生装置2A提供的电驱动范围对应的全范围。然后，电平控制器13可以通过设定四个光水平Level_0至Level_3来将由此得到的全范围均一地分成三个子范围。最后，电平控制器13通过逆向地参考光产生装置2A的转换特性21来计算与四个光水平Level_0至Level_3对应的电平level_0至level_3。上述预定比率是配备有PAM配置的光通信***的规格中所限定的预定比率，并优选地被存储在存储器11中。
可以进一步具体地描述电平控制器13的功能。当电平控制器13利用温度传感器8接收光产生装置2A的温度时，电平控制器13从存储器11中读取转换特性21之一，并根据从存储器得到的电驱动范围和转换特性21将光信号L1A的全范围设定为-20dBm至-2dBm。接下来，电平控制器13可以通过设定四个光水平Level_0至Level_3来将光信号L1A的全范围分成三个子范围。在图14A至14C所示的实施例中，电平控制器13分别按照光水平(即，-20dBm处的Level_0、-14dBm处的Level_1、-8dBm处的Level_2和-2dBm处的Level_3)来均一地划分光信号L1A的全范围。因此，光信号L1A的在光水平Level_0至Level_3之间的宽度B4至B6均一地变为6dBm。最后，电平控制器13分别设定与-2.5V、-1.3V、-0.65V和+0.5V的光水平Level_0至Level_3对应的电平level_0至level_3。因为光产生装置2A的转换特性21的非线性，所以电平level_0至level_3具有不均一的间距。
当控制器12接收来自温度传感器8的另一温度时，电平控制器13从存储器11中读取另一转换特性21A，并确定光信号L1A的全范围-20dBm至6.5dBm，如图15B所示。然后，电平控制器13分别按照-20dBm、-15.5dBm、-11dBm和-6.5dBm这四个光水平Level_0至Level_3来将该全范围均一地分成三个子范围。因此，光水平Level_0至Level_3之间的宽度B4至B6变为4.5dBm。也就是说，在改变光产生装置2的温度之后，电平控制器13不仅使较低电平level_0从-2.5V增大至-1.0V，而且使由-1.0V、-0.4V、-0.1V和0.5V的电平level_0至level_3限定的电平之间的宽度B1至B3变窄。
与上述实施例类似的是，控制器13还可以调节驱动信号的眼图中所出现的交叉点，使得光信号L1A的眼图中所出现的交叉点大致位于彼此相邻的光水平Level_0至Level_3之间的中心。驱动信号的眼图中的交叉点通常偏离彼此相邻的电平level_0至level_3之间的相应中心。
PAM信号发生器14将经由输入端子5提供的输入信号转换成PAM信号，但不会修正PAM信号的电平。在图12所示的第四实施例中，PAM信号发生器14可以设置有m个输入端子，而输入端子可以分别设置有m个端子，例如，每个输入端子均具有2个用于PAM4配置的端子。
输出驱动器15可以根据来自PAM信号发生器14的PAM信号来产生向光产生装置2A提供的驱动信号以及由电平控制器13设定的电平level_0至level_3。也就是说，从PAM信号发生器提供的PAM信号的电平不足以补偿光产生装置2A的转换特性的非线性。从PAM信号发生器14输出的信号的电平常常分布为具有均一间距。输出驱动器15通过接收来自电平控制器13的电平level_0至level_3而可以转换PAM 4信号的电平，以补偿光产生装置2A的转换特性的非线性(这常常也取决于光产生装置2A的温度)。
图16示出了用于控制本发明的实施例的光发射器1C的流程图。控制的第一步骤S31利用温度传感器8感测光产生装置2A的温度。温度控制器8向驱动器4C中的控制器12提供由此感测到的温度。
第二步骤S32利用电平控制器13读取光产生装置2A的存储在存储器11中的与温度有关的转换特性之一。然后，第三步骤S33利用电平控制器13设定电平level_0至level_3，使得与电平level_0至level_3对应的光水平Level_0至Level_3具有预定比率，即，光水平Level_0至Level_3确定彼此相等的宽度B4至B6。因此，电平level_0至level_3可以补偿光产生装置2A的转换特性中出现的非线性。此外，还可以补偿光产生装置2A的转换特性的温度相关性。
光发射器1C可以在光发射器1C的实际操作之前进行用于补偿转换特性的非线性的步骤，可以在实际操作期间进行补偿，或可以间歇地进行补偿。
因为光产生装置2A的转换特性常常表现出如图13所示的温度相关性，所以根据本发明的方法首先感测光产生装置2A的温度，这意味着驱动器4C可以选择转换特性之一，例如，正好与感测温度对应的表现曲线21或21A，并且该方法可以调节电平level_0至level_3，以补偿向光产生装置2A提供的电信号与从光产生装置2A输出的光信号L1A之间的转换特性的非线性。也就是说，光信号L1A具有如下光水平Level_0至Level_3：光水平Level_0至Level_3不仅具有均一宽度B4至B6，而且在眼图中所出现的交叉点位于各电平之间的中心。因此，光发射器1C变得无需配备有将光产生装置2A的温度保持为大致恒定的温度控制器。光发射器1C可以补偿因其操作而导致的温度变化。也就是说，即使光发射器1C没有设置有温度控制器并且光产生装置2A的温度因其本身的操作而变化，即，向光产生装置2A供应驱动信号和/或向LD 2B供应偏压电流可能使光产生装置2A的温度变化，光发射器1也可以输出具有补偿的光水平Level_0至Level_3的光信号。
光产生装置2A的转换特性可能因光产生装置2A的长期操作而劣化。因此，温度传感器8可以替代感测光产生装置2A的温度，而在利用温度控制器将光产生装置2A的温度控制为预定温度时计算光产生装置2A的累积操作时间。驱动器4C中的存储器11可以存储与光产生装置2A的操作时间相关的一些转换特性。
第五实施例
图17是根据本发明的第五实施例的另一光发射器的功能框图。图17所示的光发射器1d移除了光产生装置2A，但设置有与第一实施例的光发射器1中所设置的光产生装置类似的直接调制装置类型的另一光产生装置2。也就是说，光发射器1D设置有LD类型的光产生装置。驱动器4C(确切的说，驱动器4C中的输出驱动器15)提供用于直接调制LD 2的驱动信号。因为LD的电驱动信号与光输出之间的转换特性(其常常被称为I-L特性)取决于LD 2的温度，所以温度传感器8感测LD 2的温度，并向驱动器4C提供由此感测的温度。
驱动器4C中的存储器11与温度相关联地存储LD 2的I-L特性。控制器12通过利用温度传感器8得到LD 2的温度来从存储器11中取得与感测温度对应的I-L特性之一，并将由此得到的I-L特性传输至电平控制器13。电平控制器13根据从存储器11中读取出的I-L特性来设定电平level_0至level_3，使得从LD 2输出的光信号L1具有光水平Level_0至Level_3，光水平Level_0至Level_3具有预定比率，即，差值B4至B6具有预定幅值。电平控制器13还可以调节驱动信号的交叉点的各间距，使得光信号L1中所出现的交叉点变为光水平Level_0至Level_3之间的相应中心。
因此，用于产生驱动信号的算法可以应用于第五实施例的光发射器1D。也就是说，图16中所示的流程图也可以在光发射器1D(确切的说，光发射器1D中的驱动器4C)中应用。步骤S31感测LD 2的温度，并将感测温度传输至驱动器4D中的控制器12。步骤S32从存储器中读取与感测温度对应的I-L特性之一。步骤S33设定电平level_0至level_3的驱动范围，使得光信号具有与电平level_0至level_3对应的光水平Level_0至Level_3，光水平Level_0至Level_3具有预定比率或常常彼此相等的预定差值B4至B6。
与上述实施例中的温度传感器8类似的是，本实施例的温度传感器8还可以计算LD2的操作时间。或者，作为选择，温度传感器8可以与计算LD的累积操作时间同时地感测LD 2的温度。
用于控制能够以PAM配置操作的光发射器的算法不限于上述实施例。例如，光水平Level_0至Level_3不总是需要具有均一差值B4至B6。此外，实施例的算法不仅可以应用于PAM 4配置而且还可以应用于PAM 8、PAM 16配置等。可以将第四实施例中的光产生装置2A或第五实施例中的LD 2的温度控制在目标温度附近的预定范围内。即使温度控制具有这种配置，用于产生驱动信号(其提供电平以设定具有预定比率的光水平)的方法也具有与本发明的优点类似或大致相同的优点。
本申请要求均在2016年5月27号提交的日本专利申请No.2016-106372、No.2016-106373和No.2016-106374的优先权，这些申请通过引用并入本文。

Claims (17)

1.一种输出具有脉冲幅度调制配置的光信号的光发射器，包括：
光产生装置，其通过接收电驱动信号来产生所述光信号，所述光产生装置在所述电驱动信号与所述光信号之间的转换特性方面具有非线性；以及
驱动器，其通过接收输入电信号来产生所述电驱动信号，所述驱动器包括：
脉冲幅度调制信号发生器，其接收所述输入电信号并输出脉冲幅度调制信号；
电平控制器，其根据所述光产生装置的所述转换特性来调节所述脉冲幅度调制信号的电平，所述电平将所述光信号的光水平设定为具有预定比率；以及
输出驱动器，其通过将由所述电平控制器调节的电平与从所述脉冲幅度调制信号发生器提供的脉冲幅度调制信号叠加来产生所述电驱动信号。
2.根据权利要求1所述的光发射器，
其中，所述光信号的与所述电平对应的光水平与邻近的光水平具有彼此大致相等的差值。
3.根据权利要求1所述的光发射器，
其中，所述光产生装置为半导体激光二极管。
4.根据权利要求1所述的光发射器，
其中，所述光产生装置是组合有半导体激光二极管的光调制器。
5.根据权利要求4所述的光发射器，
其中，所述光调制器是单片集成有所述半导体激光二极管的电吸收式调制器的类型。
6.根据权利要求1所述的光发射器，
其中，所述驱动器还包括存储有多个转换特性的存储器，所述电平控制器根据从所述存储器中读取的所述多个转换特性中的一个转换特性来调节所述电平。
7.根据权利要求1所述的光发射器，还包括：
温度传感器，其感测所述光产生装置的温度，并向所述驱动器提供所述温度，
其中，所述光产生装置具有基于所述光产生装置的所述温度的转换特性，并且
所述驱动器中的所述电平控制器根据从所述温度传感器提供的温度以及所述光产生装置的在所述温度处的所述转换特性来调节所述电平。
8.根据权利要求7所述的光发射器，
其中，所述驱动器包括与所述光产生装置的温度相关地存储有多个所述转换特性的存储器，并且
所述电平控制器读取多个所述转换特性中的与从所述温度传感器提供的所述光产生装置的所述温度对应的一个转换特性。
9.根据权利要求1所述的光发射器，
其中，所述驱动器计算所述光产生装置的累积操作时间，并还包括存储器，所述存储器存储有与所述光产生装置的所述累积操作时间相关的多个所述转换特性，并且
所述电平控制器从所述存储器读取多个所述转换特性中的与由所述驱动器计算出的所述累积操作时间对应的一个转换特性，并根据多个所述转换特性中的所述一个转换特性来调节所述电平。
10.根据权利要求1所述的光发射器，
其中，所述电平控制器还调节所述电驱动信号的眼图中的所述电平之间的交叉点，所述交叉点使所述光信号的眼图中的交叉点置于所述光信号中的彼此相邻的所述光水平之间的相应中心。
11.根据权利要求1所述的光发射器，
其中，所述光产生装置设置有半导体激光二极管和电吸收式调制器，所述半导体激光二极管向所述电吸收式调制器提供连续波光，所述电吸收式调制器利用所述电驱动信号调制所述连续波光并输出所述光信号，所述电吸收式调制器在所述电驱动信号与所述光信号的所述转换特性方面表现出非线性。
12.一种控制输出具有n个光水平的光信号的光发射器的方法，所述方法包括如下步骤：
通过设定所述光信号的上限值和下限值来确定所述光信号的全范围；
通过设定包括所述全范围的所述上限值和所述下限值在内的所述n个光水平来将所述光信号的所述全范围划分成n-1个子范围，所述n个光水平具有预定比率；以及
根据光产生装置的从电驱动信号至所述光信号的非线性的转换特性来确定所述电驱动信号的n个电平，所述光产生装置由所述电驱动信号驱动。
13.根据权利要求12所述的方法，
还包括如下步骤：在确定所述全范围的步骤之前，在改变电信号并检测所述光信号的同时得到所述光产生装置的所述转换特性。
14.根据权利要求13所述的方法，
其中，得到所述转换特性的步骤包括在所述光产生装置的各温度下得到多个所述转换特性的步骤，并且
所述方法还包括如下步骤：
在确定所述光信号的所述全范围的步骤之前，
感测所述光产生装置的温度；以及
选择多个所述转换特性中的一个转换特性。
15.根据权利要求12所述的方法，
其中，执行划分所述全范围的步骤，使得所述n个光水平的各差值彼此大致相等。
16.根据权利要求12所述的方法，还包括如下步骤：
从m个输入信号中产生脉冲幅度调制信号，这里m＝log(n)/log(2)，所述脉冲幅度调制信号包括具有均一间距的n个电平；以及
利用根据所述转换特性确定的所述n个电平来设定所述脉冲幅度调制信号的所述n个电平。
17.根据权利要求12所述的方法，还包括如下步骤：
准备与所述光产生装置的累积操作时间相关的多个所述转换特性；以及
选择与所述光产生装置的所述累积操作时间对应的多个所述转换特性中的一个转换特性。
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