CN1315013A - 使用高阶函数波导干涉仪产生光脉冲 - Google Patents

Abstract

一种具有高阶传输函数的光脉冲发生器,包括第一和第二嵌套的干涉调制器,每一调制器包含一个光输入端、一个电输入端、第一分臂、第二分臂和一个光输出端。第二干涉调制器光耦合至第一干涉调制器的第二分臂。第一干涉调制器的光输出端以正比于电信号频率倍数的重复率产生脉冲,该电信号接入第一和第二干涉调制器的至少一个电输入端,且脉冲的占空比反比于光脉冲发生器的传输函数的阶数,其中倍数可以是等于或者大于1的任何整数。

Description

使用高阶函数波导干涉仪产生光脉冲

本发明一般地涉及光脉冲的产生，特别地，本发明涉及窄脉冲的发生装置及方法。

窄光脉冲的产生需要于大量通信和传感***设备中。窄光脉冲即所占时间间隔非常小的光脉冲，或者说是由控制信号产生的具有急剧强度变化的光脉冲。比如电信***中，当调制格式的强度变化要求从无到有，而在一比特的时间周期内再到无，这就要使用光脉冲发送。这种光脉冲的产生，包括时钟或数据信号。

归零(RZ)数据是指有或无数据大约占一半比特周期的数据。非归零(NRZ)数据则指有光或无光数据占整个比特周期。图1示出现有技术的时序图10：时钟12,NRZ数据14,RZ数据格式16。这些数据格式可典型地由时钟和数据本身之间的逻辑“与”在电***中建立。

在高数据速率的情况下，依靠现有技术中的光调制器以电的方式产生脉冲是困难的。产生特殊应用于象孤子和其它长距离传输的窄光脉冲格式的具有预定形状的脉冲也是很困难的。

现有技术中存在几种产生具有预定格式的窄光脉冲的脉冲发生器，包括Mach-Zehnder干涉仪的级联重复。这些现有装置使用了分离反馈控制部分。集合设备的输入信号和操作偏压状态通过各种设计来控制，有的靠集合设备每一部分的经校正的输入信号产生所需要的脉冲串，其它的则部分地调制调制器的传输函数，使用诸如电吸收调制器的设备，以产生快速脉冲。

现有设计有诸多缺陷。例如这些方法都需要对不同输入信号的时延和相位进行精确控制，这不仅难于做到而且成本很高。另外，产生若干高速率信号及增加设备的物理尺寸需要相对较高的功率补偿。

现代通信***需要产生窄归零脉冲的装置和方法，也需要所产生的非常窄带宽的脉冲能够进行长距离传输。还需要产生高斯，即双曲线正割平方形高速脉冲，也即是用于产生孤子脉冲的代数形的装置和方法。

本发明涉及包含高阶函数波导干涉仪的脉冲发生器，其产生具有预定形状的特殊应用于象孤子和其它窄光脉冲格式的窄脉冲。本发明的首要发现即是嵌套和并行构置的干涉调制器能够用以产生满足特殊应用而具有预定形状的窄脉冲。

相应地，本发明以具有高阶传输函数的光脉冲发生器为特征。根据一个实施例，光脉冲发生器包括嵌套的第一及第二干涉调制器，每一调制器包含一个光输入端、一个电输入端、第一分臂、第二分臂和一个光输出端。第二干涉调制器光耦合至第一干涉调制器的第二分臂。第一干涉调制器的光输出端以正比于电信号频率倍数的重复率产生脉冲，该电信号接入第一和第二干涉调制器的至少一个的电输入端，且脉冲的占空比反比于光脉冲发生器的传输函数的阶数。其中循环周期可以单调地非线性地反比于光脉冲发生器的传输函数的阶数；倍数可以是等于或者大于1的任何整数。一个相位调制器可串联耦合到第一干涉调制器的输出端，用接入相位调制器电输入端的调制信号线性调频光脉冲。

根据本发明的一个实施例，脉冲发生器还包括一个第三干涉调制器，其包含第一、第二分臂及一个电输入端。第三干涉调制器具有一个光耦合至第一干涉调制器输出端的输入端。此实施例中的脉冲发生器还包括一个第四干涉调制器，其含有第一、第二分臂及一个电输入端。第四干涉调制器光耦合至第三干涉调制器的第二分臂。第三干涉调制器的光输出端以正比于电信号频率倍数的重复率产生脉冲，该电信号接入第二和第四干涉调制器的至少一个的电输入端，且脉冲的占空比非线性地反比于光脉冲发生器的传输函数的阶数。

干涉调制器可以是振幅或相位调制器。在另一实施例中，干涉调制器为Mach-Zehnder调制器，其形成在铌酸锂衬底上，可以是X切割或Z切割。干涉调制器还可具备速度匹配或温度补偿功能。

根据本发明的一个实施例，干涉调制器为窄带调制器，也就是调制器的带宽基本上被限制在预定带宽以内。使用窄带调制器可增加光脉冲产生的效率。在另一实施例中，至少一个干涉调制器的第一和第二分臂之间的分流比(splitting ratio)小于1。

本发明也以包含多个并行光学联接的干涉调制器而具高阶传输函数的光脉冲发生器为特征。多个干涉调制器中的每一个皆包括第一、第二分臂及一个电输入端。具偶次阶传输函数的光脉冲发生器还含有与多个干涉调制器并行光学联接的光波导。一个光输出端以正比于电信号频率倍数的重复率产生光脉冲，该电信号接入多个干涉调制器中至少一个的电输入端，且脉冲的占空比非线性地反比于光脉冲发生器的传输函数的阶数。其中倍数可以是等于或者大于1的任何整数。

多个干涉调制器中至少一个的输出波导可包括一个偏置电极，加在偏置电极上的电压修正传送自多个干涉调制器中至少一个的光信号的相位。另外，一个相位调制器可串联耦合至第一干涉调制器的输出端，用接入相位调制器电输入端的调制信号线性调频光脉冲。

本发明还包括用高阶嵌套干涉调制器产生光脉冲的方法。此方法可以产生具有预定形状的特殊应用于象孤子和其它窄光脉冲格式的窄脉冲。该方法包括接收输入光束并将其分离为第一及第二光束；传送第一光束的材料被电光偏置以改变其特性。电光偏置可改变脉冲的消光比。

第二光束被分离为第三及第四光束，传送第三及第四光束中的至少一个的材料被电光偏置以改变其中至少一个的特性；用电信号调制第三及第四光束中的至少一个；第一、第三及第四光束被干涉以产生光脉冲，光脉冲的重复率正比于电调制信号的频率倍数，脉冲占空比非线性地反比于嵌套的干涉调制器的阶数。

本发明细致描述与权利要求书中。本发明的上述优点和更进一步的益处将在参考以下附图及其详细说明的基础上得到清楚的理解：

图1示出现有技术中关于时钟、NRZ数据和RZ数据格式的时序图。

图2a示出现有技术中Mach-Zehnder干涉仪的简图。

图2b示出根据图2a所示现有技术中调制器接入调制信号与输出光强之间的传输函数。

图2c示出用正弦信号接入输入电极时图2a所示Mach-Zehnder干涉仪的时域输出信号。

图3示出按照本发明用嵌套调制器构造的阶数N=2时窄脉冲发生器的一个实施例。

图4示出本发明的一个窄脉冲发生器实施例中接入调制信号与输出光强之间的传输函数。

图5示出本发明的一个窄脉冲发生器实施例中发生器在光强最大值处被偏置且具有正弦调制信号输入时的时域输出信号。

图6示出按照本发明用嵌套调制器构造的阶数N=3时窄脉冲发生器的一个实施例。

图7示出按照本发明用嵌套调制器构造的阶数N=4时窄脉冲发生器的一个实施例。

图8示出按照本发明用嵌套调制器构造的任意阶数时窄脉冲发生器的通用实施例。

图9示出按照本发明用嵌套调制器级联构造的阶数N=4时窄脉冲发生器的一个实施例。

图10示出按照本发明用嵌套调制器构造的阶数N=4且有一相位调制器时窄脉冲发生器的一个实施例。

图11示出按照本发明用嵌套调制器构造的阶数N=4且有多个相位调制器时窄脉冲发生器的一个实施例。

图12示出按照本发明用嵌套调制器构造的阶数N=4且有一定位于其无源分臂的相位调制器时窄脉冲发生器的一个实施例。

图13示出按照本发明用嵌套调制器构造的任意阶数且有多个相位调制器时窄脉冲发生器的通用实施例。

图14示出按照本发明一个2×20Gb/s脉冲发生器的实施例中消光比和脉宽作为驱动功率的函数。

图15a示出按照本发明一个2×20Gb/s脉冲发生器在驱动功率等于30dBm时所产生的光输出。

图15b示出按照本发明一个2×20Gb/s脉冲发生器在驱动功率等于27dBm时所产生的光输出。

图16a示出按照本发明一个2×20Gb/s脉冲发生器在对称偏压等于0.2V-pi时所产生的光输出。

图16b示出按照本发明一个2×20Gb/s脉冲发生器在消光比偏压等于0.15V-pi时所产生的光输出。

图16c示出按照本发明一个2×20Gb/s脉冲发生器的消光比作为消光比偏压的函数。

图17示出按照本发明一个1×40Gb/s脉冲发生器中光损耗和脉宽作为驱动功率的函数。

图18a示出按照本发明一个1×40Gb/s脉冲发生器在驱动功率等于31.75dBm时所产生的光输出。

图18b示出按照本发明一个1×40Gb/s脉冲发生器在驱动功率等于27.5dBm时所产生的光输出。

本发明的脉冲发生器包含高阶函数波导干涉仪，其产生具有预定形状的特殊应用于象孤子和其它窄光脉冲格式的窄脉冲。现有技术中存在几种使用高阶函数波导干涉仪的装置，比如属于Olshansky的美国专利No.5101450公开了一种并行构置的干涉调制器，它在模拟通信***中用于消除二阶互调失真。

在期刊Lightwave Technology(Vol.10 No.8,1992年8月)上由Yu Wang-Boulic发表的题为A Linearized Optical Modulator forReducing Third-Order Intermodulation Distortion的论文中，公开了一种级联Mach-Zehnology调制器，用以在模拟通信***中减少三阶互调失真。另外，由Masayuki Izutsu等人在IEEE期刊QuantumElectronics(Vol.QE-17 No.11,1981年11月)上发表的题为IntegratedOptical SSB Modulator/Frequency Shifter的论文公开了一种包含并行构置的干涉调制器的模拟频率转换器。现有技术中使用高阶函数波导干涉仪的装置都仅限于模拟应用。

对于线性调频脉冲自由调制，高阶函数波导干涉仪的调制器传输函数可表示为：

E=[(e^jθ/2+e^-jθ/2)/2]^N=cos^N(θ/2)      (1)

这里E代表光的E场的复数振幅，-代表外加调制，N为阶数，光强可表示为：

I=[(e^jθ/2+e^-jθ/2)/2]^2N=cos^2N(θ/2)    (2)

图2a示出现有技术中Mach-Zehnder干涉仪(MZI)100在阶数N=1时的简图。输入光信号102被分离为第一波导分支104和第二波导分支106。调制信号107接入输入电极108。图2a所示N=1时现有技术中的调制器传输函数可表示为：

E=[(e^jθ/2+e^-jθ/2)/2]=cos(θ/2)        (3)

由于不存在线性调频脉冲或者相移，传输函数导出cos(θ/2)，因而E中没有随θ改变的虚数成分。

图2b示出根据图2a所示现有技术中Mach-Zehnder干涉仪接入调制信号与输出光强的传输函数。具正弦频率的调制信号由输入电极108调制Mach-Zehnder干涉仪100，干涉仪的输出端110产生包含正弦波输入信号与干涉仪100的余弦波传输函数组合的输出脉冲。

图2c示出用接入输入电极108的正弦信号调制图2a所示现有技术中Mach-Zehnder干涉仪100时的时域输出信号。图2c所示相应于超过2Pi弧度的调制信号的输出信号，即与调制器传输函数的双倍扫描相应。调制器100被偏置以使调制信号关闭而光强最大。调制信号扫描出光强最大值的传输函数。所产生的信号具有调制信号的双倍频率。

图3示出按照本发明包含高阶函数波导干涉仪的脉冲发生器150的实施例。脉冲发生器150具有光强对调制信号的四阶响应，因而具备比图2所示现有技术中Mach-Zehnder干涉仪明显更“尖锐”的传输函数。脉冲发生器150包含一个嵌套结构：外部件即第一Mach-Zehnder干涉仪154和内部件即第二Mach-Zehnder干涉仪152，也就是第二干涉调制器光耦合至第一干涉调制器的一个分臂。内部的Mach-Zehnder干涉仪152包含一个Phi控制电压电极156用于接入调制信号。外部的Mach-Zehnder干涉仪154包含一个Theta控制电压电极即偏置电极158用于接入调制信号即偏压信号。

一个实施例中，金属电极被用来提供一个控制内部Mach-Zehnder干涉仪152和外部Mach-Zehnder干涉仪154的相对分臂上的静态光学相位的装置。金属电极156和158也被用作提供衰减以平衡各个分臂上的光，从而在无光状态下得到期望的消光，有光状态下得到期望的光输出。电极可结合50％“y”分支电路使用，其具有温度、波长或瞬时不稳定度最小且具良好稳定的消光及功率平衡特性。

内部Mach-Zehnder干涉仪152和外部Mach-Zehnder干涉仪154都可由X切割或Z切割的铌酸锂形成，它们也都可以是速度匹配或温度补偿型干涉仪。另外，这两个干涉仪可以是窄带干涉仪。使用窄带干涉仪对优化脉冲发生器的效率有益。

特别地，脉冲发生器150包括一个输入波导160，在第一连接器163被分成外部Mach-Zehnder干涉仪154的第一波导162和第二波导164，第一波导162光耦合至内部Mach-Zehnder干涉仪152的输入端165。第一波导162在第二连接器167被分成内部第一波导166和内部第二波导168。内部第一波导166和内部第二波导168在第三连接器170又重新组合以形成内部Mach-Zehnder干涉仪152的输出波导172。输出波导172与第二波导164在第四连接器174组合以形成外部Mach-Zehnder干涉仪154的输出波导175。

实际操作中，输入光信号沿输入波导160传输，在第一连接器163分离为第一和第二光信号。第一和第二光信号分别在外部第一波导162和外部第二波导164中传输。在一个实施例中，第一和第二光信号的光强各约为输入光信号强度的一半。

第一光信号通过内部Mach-Zehnder干涉仪152继续传输，在第二连接器167分为第一内部和第二内部光信号。第一和第二内部光信号分别在内部第一波导166和内部第二波导168中传输。内部Mach-Zehnder干涉仪152用接入Phi控制电压电极156的调制信号调制第一内部光信号的至少一个相位或振幅。调制信号可以是正弦或预定波形的波。

被调制的第一内部光信号与第二内部光信号在第三连接器170结合形成内部干涉仪的输出，其光强可从有调制为无。这样得到的内部干涉仪的输出与第二光信号在第四连接器174结合以形成外部干涉仪的输出。第二光信号由接入Theta即偏置控制电压电极158的调制信号调制。外部干涉仪的输出是一个复合信号，其光强可从有变为无。

图3所示N=2时脉冲发生器实施例的传输函数可由公式(1)表示为：

E=[(e^jθ/2+e^-jθ/2)/2]²=cos²(θ/2)=(1/2)+(1/2)[(e^jθ/2+e^-jθ/2)/2]=(1/2)+(1/2)cos(θ)       (4)

内部Mach-Zehnder干涉仪152由_cos(θ)项代表，具有偏置电极158的波导164由常数项代表。本实施例中，偏置电极158用内部Mach-Zehnder干涉仪152的相位来调准波导164的相位。

图3所示脉冲发生器的输出光强可用下式来描述：

I=E²=[_+_cos(θ)]²              (5)

对N=2的脉冲发生器实施例中，外部第一波导162与外部第二波导164之间的分流比可变，其光强如下式所示：

Io2c(φ,F,θ):=[F·cos(θ)+(1-F)·cos(φ)]²+F²·sin(θ)²                               (6)

这里F为E1’和E2’间的分流比，θ为相对于内部Mach-Zehnder干涉仪输出的E2’分支的相位角，Phi为内部Mach-Zehnder干涉仪外加电压时的相位角。

在一个实施例中，分流比为50％。另一实施例中，分流比可选择为大于50％，以产生传输函数的二阶极大值。本实施例中，需要减小调制电压，增加无光区的宽度。

图4示出图3所示窄脉冲发生器接入调制信号与输出光强之间的传输函数。窄脉冲发生器的接入调制信号与输出光强间有一再加倍的传输函数。A和B域点分别代表调制器被偏置为全光或无光时的传输函数。相应地，内部Mach-Zehnder干涉仪152和外部Mach-Zehnder干涉仪154分别偏置为同相或异相。为产生完全对称的良好的脉冲串，调制器应被偏置在这些域点之一上。调制在任一这些域点的附近将产生良好的不对称脉冲。而且，这两域点间的电压将是打开或关闭内部Mach-Zehnder干涉仪152所需电压的两倍。这一电压本领域表示为V-pi，调制器驱动电压的单位则典型地被定为V-pi。

图5示出本发明的一个脉冲发生器实施例中发生器在光强最大值处被偏置且具有10GHz正弦调制信号输入的时域输出信号。这样得到的输出信号具有大约12ps的脉宽，重复率约为20GHz。

按照本发明的一个实施例，当发生器在光强最大值处被偏置时扫描传输函数，从而象图2c所示的那样，输出频率加倍。当输入光信号关于光强最大值对称时，每一输入信号周期产生两个强度脉冲，因此光输出的脉冲频率相对于调制信号加倍了。

在图3所示的实施例中，输入频率为10GHz，加倍则产生20GHz的光时钟频率。图5所示实施例中，脉宽很容易***和重组，以产生12.5ps的脉冲用于40Gb/S的数据传输。

根据本发明的另一个实施例，窄脉冲发生器包括多个内部Mach-Zehnder干涉仪形成嵌套结构。为了达到所期望的输出光强特性，这一结构可包括任意数量的内部Mach-Zehnder干涉仪，比如阶数N=3时公式(1)可表示为：

E=[(e^jθ/2+e^-jθ/2)/2]³=cos³(θ/2)=(1/4)[(e^j3θ/2+e^-j3θ/2)/2]+(3/4)[(e^jθ/2+e^-jθ/2)/2]=(1/4)cos(3θ/2)+(3/4)cos(θ/2)(7)

图6示出按照本发明阶数N=3时的脉冲发生器200。第一内部Mach-Zehnder干涉仪202代表_cos(θ/2)项，第二内部Mach-Zehnder干涉仪204代表公式7中的_cos(3θ/2)项。脉冲发生器200包括两个内部Mach-Zehnder干涉仪202和204，以及一个外部Mach-Zehnder干涉仪206。外部Mach-Zehnder干涉仪206也包括一个用于接入调制信号的偏置电极208。

在一个实施例中，电极被用以控制第一内部Mach-Zehnder干涉仪202、第二内部Mach-Zehnder干涉仪204和外部Mach-Zehnder干涉仪206相关分臂上的静态光学相位。电极由于通过金属的光信号负载引致预定数量的过量光损耗而改变波导中的光信号幅度。当波导中的光束尾部接触到金属电极时即会有负载。这种负载通常在金属与波导边缘之间没有介电材料(称作缓冲层)时才有。

一个实施例中，Mach-Zehnder干涉仪202和204的电极240和242以及偏置电极208分别被偏置以平衡或者改变相关分臂上的光分量，从而在无光状态下得到所期望的消光，在有光状态下得到所期望的光输出。本实施例中的电极结合75％“y”分支电路210、212或耦合器使用，具有期望的消光及功率平衡特性。

内部Mach-Zehnder干涉仪202和204以及外部Mach-Zehnder干涉仪206均可由X切割或Z切割的铌酸锂形成。它们也均可为速度匹配或温度补偿型干涉仪。另外，内部Mach-Zehnder干涉仪202和204以及外部Mach-Zehnder干涉仪206也可以是窄带干涉仪。使用窄带干涉仪对优化脉冲发生器的效率有益。

特别地，脉冲发生器200包括输入波导214，其在第一连接器210被分成外部Mach-Zehnder干涉仪206的第一波导216和第二波导218。连接器210在一个实施例中为75％光耦合器。第一波导216光耦合至第一内部Mach-Zehnder干涉仪202的第一输入端223。第一输入端223在第二连接器225被分成第一内部第一波导224和第一内部第二波导226。第一内部第一波导224和第一内部第二波导226在第三连接器232重新组合以形成第一内部Mach-Zehnder干涉仪202的第一输出波导233。

第二波导218光耦合至第二内部Mach-Zehnder干涉仪204的第二输入端227。第二输入端227在第四连接器229被分成第二内部第一波导228和第二内部第二波导230。第二内部第一波导228和第二内部第二波导230在第五连接器234重新组合以形成第二内部Mach-Zehnder干涉仪204的第二输出波导235。第一输出波导233与第二输出波导235在第六连接器212组合以形成外部Mach-Zehnder干涉仪206的输出波导237。在一个实施例中的连接器212为75％“y”分支耦合器。

实际操作中，输入光信号沿输入波导214传输，在第一连接器210被分流为第一和第二光信号。第一和第二光信号分别在外部第一波导216和外部第二波导218中传输。在一个实施例中的第一和第二光信号具有约75％的分流比。

第一光信号通过第一内部Mach-Zehnder干涉仪202继续传输，在第二连接器225被分流为第一内部和第二内部光信号。第一和第二内部光信号分别在第一内部第一波导224和第一内部第二波导226中传输。第一内部Mach-Zehnder干涉仪202用接入其电极240的调制信号调制第一内部光信号的至少一个相位或振幅。调制信号可以是正弦或预定波形的波。被调制的第一内部光信号与第二内部光信号在第三连接器232结合形成第一内部干涉仪的输出，其光强可从有调制为无。

第二光信号在第四连接器229分流为第三和第四内部光信号。第三和第四内部光信号分别在第二内部第一波导228和第二内部第二波导230中传输。第二内部Mach-Zehnder干涉仪204用接入其电极242的调制信号调制第四内部光信号的至少一个相位或振幅。调制信号可以是正弦或预定波形的波。被调制的第四内部光信号与第三内部光信号在第五连接器234结合形成第二内部干涉仪的输出，其光强可从有调制为无。

这样得到的第一和第二内部干涉仪的输出在第六连接器212结合以形成外部干涉仪的输出。第二干涉输出信号被接入偏置控制电压电极208的调制信号调制。在一个实施例中接入偏置电极208的信号调准两个内部Mach-Zehnder干涉仪的相位，基本上消除了耦合器的相移。两个内部Mach-Zehnder干涉仪的偏置点也可被相对控制。外部干涉仪的输出信号是一个复合信号，光强可从有变为无。

图7示出按照本发明阶数N=4时的脉冲发生器。该实施例用公式(1)可表示为：

E=[(e^jθ/2+e^-jθ/2)/2]⁴=cos⁴(θ/2)=(1/8)[(e^j2θ+e^-j2θ)/2]+(1/2)[(e^jθ+e^-jθ)/2]+(3/8)=(1/8)cos(2θ)+(1/2)cos(θ)+(3/8)(8)

脉冲发生器250包括三个内部Mach-Zehnder干涉仪280、282和274，以及外部Mach-Zehnder干涉仪300。外部Mach-Zehnder干涉仪300也包含一个内部偏置电极276和外部偏置电极292以接入偏置和调制信号。公式(8)中的常数项3/8代表内部偏置，1/8cos(2θ)项代表第一内部调制器280,cos(θ)项代表第一外部Mach-Zehnder干涉仪282。

一个实施例中，电极被用以控制第一内部Mach-Zehnder干涉仪280、第二内部Mach-Zehnder干涉仪282、第三内部Mach-Zehnder干涉仪274和外部Mach-Zehnder干涉仪300相关分臂上的静态光学相位。Mach-Zehnder干涉仪280和282的电极以及两个偏置电极276和292也用以平衡或者改变相关分臂上的光分量，从而在无光状态下得到所期望的消光，在有光状态下得到所期望的光输出。本实施例中的电极结合75％“y”分支电路258、298或耦合器使用，具有期望的消光及功率平衡特性。

第一内部Mach-Zehnder干涉仪280、第二内部Mach-Zehnder干涉仪282、第三内部Mach-Zehnder干涉仪274和外部Mach-Zehnder干涉仪300均可由X切割或Z切割的铌酸锂形成。它们也均可为速度匹配或温度补偿型干涉仪。Mach-Zehnder干涉仪280、282和274也可以是窄带干涉仪。使用窄带干涉仪对优化脉冲发生器的效率有益。

特别地，脉冲发生器250包括输入波导252，其在第一连接器255被分成外部Mach-Zehnder干涉仪300的第一波导254和第二波导256。连接器255在一个实施例中为平衡型光耦合器。第一波导254光耦合至第二连接器258。第二连接器在一个实施例中为75％“y”分支电路。第二连接器258包含一个接到第三内部Mach-Zehnder干涉仪274的输入端。

第一波导254被分成第一内部波导262和第二内部波导260。第一内部波导262光耦合至第一内部Mach-Zehnder干涉仪280的输入端264。第一内部波导262在第三连接器267被分成第一内部第一波导268和第一内部第二波导266。波导268和266在第四连接器270重新组合形成第一内部Mach-Zehnder干涉仪280的第一内部输出波导272。第二内部波导260与第一内部输出波导272光耦合至第五连接器298。第五连接器在一个实施例中包含一个75％“y”分支电路。第一外部输出波导278光耦合至第五连接器298。

第二波导256光耦合至第二内部Mach-Zehnder干涉仪282的输入端284。输入端284在第六连接器287被分成第二内部第一波导288和第二内部第二波导286。波导288和286在第七连接器290重新组合形成第二内部Mach-Zehnder干涉仪282的第二输出波导294。第一输出波导278与第二输出波导294在第八连接器296结合形成外部Mach-Zehnder干涉仪300的输出波导297。

实际操作中，输入光信号沿输入波导252传输，在第一连接器255分流为第一和第二光信号。第一和第二光信号分别在外部第一波导254和外部第二波导256中传输。在一个实施例中第一和第二光信号的光强各约为输入光信号强度的一半。

通过连接器258传输的第一光信号分流为第一内部和第二内部光信号。传输至第三连接器267的第二内部光信号分流为第三和第四内部光信号。第三和第四内部光信号分别在第一内部第二波导266和第一内部第一波导268中传输。第一内部Mach-Zehnder干涉仪280用接入其电极281的调制信号调制第三内部光信号的至少一个相位或振幅。调制信号可以是正弦或预定波形的波。被调制的第三内部光信号与第四内部光信号在第四连接器270结合形成第一内部干涉仪的输出，其可被从有调制为无。第一内部光信号通过第二内部波导260传输，在第五连接器298与第一内部干涉仪的输出结合形成第三内部干涉仪的输出信号。第三内部干涉仪的输出信号被接入偏置电极276的调制信号调制。第三内部干涉仪的输出信号通过第五连接器298光耦合至第一外部输出波导278形成第一外部干涉仪的输出信号，其可被从有调制为无。

第二光信号通过外部第二波导256传输至第二内部Mach-Zehnder干涉仪282的输入端284，最后至第六连接器287。第六连接器287将第二光信号分流为第五和第六内部光信号。第五和第六内部光信号分别在第二内部第二波导286和第二内部第一波导288中传输。第二内部Mach-Zehnder干涉仪282用接入其电极283的调制信号调制第五内部光信号的至少一个相位或振幅。调制信号可以是正弦或预定波形的波。被调制的第五内部光信号在第七连接器290与第六内部光信号结合形成第二外部干涉仪的输出信号，其可被从有调制为无。

这样得到的第一和第二外部干涉仪的输出信号在第八连接器296结合形成外部干涉仪的输出信号。第二外部干涉仪的输出信号被接入偏置控制电压电极292的调制信号调制。偏置电极292调准内部Mach-Zehnder干涉仪及第二内部波导260的相位，以消除耦合器的相移。内部Mach-Zehnder干涉仪的偏置点也可被相对控制。外部干涉仪的输出信号是一个复合信号，光强可从有变为无。

图8示出具有N嵌套干涉调制器的脉冲发生器。方框352和354代表一些“y”分支电路与耦合器的组合或者功率分配结构，以获得所期望的每一分支的分流比。现有技术中存在大量的无源功率分流结构，比如可使用多模干涉(MMI)结构，或者透镜***这样的平均体(even bulk)光功率分流装置。

Mach-Zehnder干涉仪356、360和364调制在脉冲发生器350中传输的多种光信号。偏置电极358、362和366调准嵌套的调制器各分臂的相位。对于给定的阶数，并非_/2的所有倍数都显现结构中的驱动级。例如阶数N=3包含调制级3_/2和_/2，而阶数N=4包含调制级2_和_。另外，常数项代表无源波导分臂仅为偶数阶(即N=2、4…)。

根据本发明的另一发现，用级联两个或者更多的低阶嵌套调制器可以得到更高阶传输函数。级联嵌套调制器的数量可由接入的调制信号数量、所需调制强度以及偏置控制的复杂程度(典型地使用反馈环主动控制)来决定。比如说，级联两个N=2阶的调制器得到与一个N=4调制器相同的传输函数，二者都需要两个调制信号。但级联四个N=1的调制器以得到相同的函数不太实际，因为需要接入四个而不是两个同步调制信号。

图9示出按照本发明两个阶数N=2的嵌套调制器456的级联结构。此结构具有与一个阶数N=4的调制器相同的传输函数。调制器150包含嵌套的内部Mach-Zehnder干涉仪152与外部Mach-Zehnder干涉仪154。外部Mach-Zehnder干涉仪154具有一个输入波导160和一个输出波导175。输出波导175光耦合至第二调制器150’的输入波导160’。除调制器150’的输入波导160’接收调制器150的输出光信号而非外部光信号外，调制器150’在结构和功能上与调制器150相同。

实际操作中，输入光信号沿Mach-Zehnder干涉仪150的输入波导160传输，在第一连接器163分流后，信号通过Mach-Zehnder干涉仪150传输，在第四连接器174重新组合。组合后的信号进入调制器150’的输入波导160’在此，遇到第五连接器163’。在第五连接器163’分流后，信号通过MZI150’传输并在第八连接器174’重新组合。这样得到的输出信号对应于阶数N=4的调制器输出。

按照本发明的一个实施例，调制器被线性调频，也就是光信号被接入的调制信号频移。线性调频操作的传输函数包含复数成分的项，其代表调制相移。结合公式(1)复数项表示为：

E=[(e^jθ/2+e^-jθ/2)/2]^N e^mθ=cos^N(θ/2)e^mθ(9)

这里m的取值依赖于所需的线性调频脉冲强度。

图10示出阶数N=4的线性调频脉冲发生器370的实施例。线性调频发生器包含定位于外部Mach-Zehnder干涉仪300输出端的相位调制器372。线性调频脉冲的特性由接入相位调制器372的电极374的调制信号决定。

图11示出阶数N=4的线性调频脉冲发生器380。除了分别加到波导260’、272’和294’上的相位调制器382、386和390以外，图11所示与图7所示实施例的结构相似。线性调频脉冲特性由接入电极384、388和392的调制信号决定。在一个实施例中的相位调制器382、386和390可使各分臂上的相位调制量相等。

图12示出按照本发明在内部Mach-Zehnder干涉仪中使用非平衡型推挽设计的脉冲发生器。这种设计综合了相位调制和振幅调制的功能。除了加到波导260’上的相位调制器382以外，图12所示结构与图7所示相似。

由于在cos( )项中所需定数的关系，Mach-Zehnder干涉仪280必须使用两倍于Mach-Zehnder干涉仪282的驱动，因此两个内部Mach-Zehnder干涉仪280和282的不对称度不相同。于是Mach-Zehnder干涉仪280的波导分臂也须使用两倍于Mach-Zehnder干涉仪282的调制。但因为Mach-Zehnder干涉仪280和282输出端的净相移必须匹配，为补偿双倍驱动电平，Mach-Zehnder干涉仪280应具有较小的不对称度。本实施例的一个优点是所有调制结构为并联，相位调制器电极的尺寸有限，所以减少了装置的占有空间。

图13示出一个N阶线性调频脉冲发生器。如图示，相位调制和偏置功能被综合于电极422、424和426。或者，相位调制和偏置电极可以是分离的电极。另一实施例中，使用非对称电极将相位调制综合进内部Mach-Zehnder干涉仪。

根据本发明的脉冲发生器特别适用于产生窄数字逻辑“RZ”脉冲。本发明的脉冲发生器也特别适用于产生具有期望的输出特性拐点的信号，使得输出传输函数相对于控制信号具有宽阔的无输出光强区域。这样的信号增强了输出的有/无光状态并有利于产生优化的有/无消光。

本发明的窄脉冲发生器可以通过实施例的操作被进一步理解。本发明的窄脉冲发生器可传输40Gb/s数据，可用一个40Gb/s***结构或两个20Gb/s***。在一个实施例中脉冲发生器用于光时域复用(OTDM)***结构。

图14示出本发明一个实施例中消光比和脉宽与RMS功率的函数。如图示，用嵌套的Mach-Zehnder装置实施例可产生以50ps(20Gb/s脉冲周期)为间隔的12ps宽(40Gb/s脉宽)脉冲流。这需要使用频率为10GHz及四倍V-pi电压在调制器偏置的ON状态(图4中A点)附近进行调制来完成。图14示出了本发明的一个实施例的消光比450和脉宽452关于RF驱动功率的函数。当脉宽约为12ps(24％脉冲重复周期即12ps/50ps)，驱动电压为四倍V-pi(30dBm)时，消光比450为最大值。本实施例需要四倍V-pi的驱动电压以便在OFF状态消除所有信号。驱动电压不足将导致调制器OFF状态时信号非零，且脉冲被展宽，但不会影响峰值光脉冲功率。

图15a和图15b示出由+30dBm和+27dBm功率驱动的两个20Gb/s脉冲发生器。在一个实施例中，嵌套的调制器结构需要内部及外部调制器被偏置为ON状态以优化操作。内部干涉仪的偏置有时指对称偏置，其影响到邻近脉冲的间隔，如图16a所示对称偏置偏移0.2V-pi时。外部干涉仪的偏置影响到脉冲发生器的消光比，其常被称为消光比(ER)偏置。图16b示出调制器带ER偏置偏移时的光输出。图16c示出消光比作为以V-pi为单元的ER偏置电压的函数。在一个实施例中，当内部和外部Mach-Zehnder干涉仪被偏置在ON状态时取得最佳偏置因而可取得偏置控制。

两个20Gb/s脉冲发生器可借助于OFF状态下(图4中的B点)的偏置及用频率为20GHz信号的调制来产生一个40Gb/s的脉冲流。在此方式下，减小驱动功率会导致增加设备的光损耗以及减小光脉冲宽度，而消光比保持为相对于驱动功率的函数。在20GHz驱动频率下脉冲发生器一个实施例的四倍V-pi驱动功率为33.6dBm，相对较高。但通常一个40Gb/s脉冲方式的设备的操作需要调制器以小于四倍V-pi的电压被调制。

图17示出本发明一个实施例中一个40Gb/s脉冲发生器的脉宽460和额外光损耗462与驱动功率间的函数。在驱动功率为+31.75dBm时可得到12ps的脉冲，该驱动功率下的补偿值为0.8dB。相应地，驱动功率为+27.5dBm时的脉宽为10.1ps，光功率补偿为6.0dB。图18a和图18b分别示出输入功率为+31.75dBm和+27.5dBm时的光输出。

本发明使用嵌套的调制器结构作为一个40Gb/s脉冲发生器的优点是，不需要牺牲光容量就可以提供脉宽约在11ps-13ps的极短脉冲。本发明的一个实施例额外光损耗小于2dB。

本发明的脉冲发生器可以包含具有补偿网络的干涉调制器，如美国专利申请序列号09/309444所描述的“使用非共线型补偿网络的外部光调制”，该发明为本申请的受让人所共有，在此引作参考。补偿网络在连接器处与电波导电耦合，沿与第一传输方向非共线的第二传输方向传输电信号。在一个实施例中，补偿网络至少包括全通电网络、电感-电容“Pi”网络、行波耦合器、滤波器以及传输线变压器中的一个。

补偿网络至少要在连接器处分别相对于光信号的相位或振幅修正电信号的相位或振幅，再将已修正的电信号返回给电波导。补偿网络可以是时延或者相位延迟网络。

本发明中使用补偿网络的好处是每单位的电损耗可明显低于每单位长度电波导的损耗以便最小化RF损耗。补偿网络的另一好处是它能够可拆卸地匹配电光设备，从而可由其它补偿网络所代替。再一个好处是，补偿网络的温度依赖性可以反比于电光材料的温度依赖性，从而补偿电光材料的温度非线性。

一个实施例中，补偿网络是相位延迟网络，其修正电信号的相位，以使连接器处电信号与光信号间的相位差相对于光波导输入处电信号与光信号上的调制的相位差被减小或者基本为零。另一实施例中，补偿网络是一个相位延迟网络，其使用预定延迟在连接器处相对于光信号调制相位修正电信号的相位，该预定延迟在0到180度范围内可变。本实施例中连接器处电信号的相位相对于光信号调制相位可被修正为基本上180度。

实际操作中，多个补偿网络中的每一个都用预定的相位延迟分别在多个连接器中的各自连接器上相对于光信号上的调制相位修正电信号的相位，并将已修正的电信号返回给电波导。预定延迟在0到180度范围内可变且在一个实施例中该延迟基本上为180度。另一实施例中，每一补偿网络分别相对于在各自连接器处光信号上的调制相位修正在各自连接处电信号的相位，以使每一连接器处的电信号基本上与光信号上的调制同相。

参照上述图示说明和所描述的实施例已对本发明具体描述，本领域普通技术人员很容易理解，本发明在不脱离其精神实质的情况下还可有多种形式和细节上的变化，皆归于权利要求书所请求保护的范围。

Claims (24)

1．一种具有高阶传输函数的光脉冲发生器，该发生器包括：

a)第一干涉调制器，含一个光输入端、一个电输入端、第一分臂、第二分臂和一个光输出端；

b)第二干涉调制器，含一个光输入端、一个电输入端、第一分臂、第二分臂和一个光输出端，第二干涉调制器光耦合至第一干涉调制器的第二分臂，

其中第一干涉调制器的光输出端以正比于电信号频率倍数的重复率产生脉冲，该电信号接入第一和第二干涉调制器的至少一个的电输入端，且脉冲的占空比反比于光脉冲发生器的传输函数的阶数。

2．如权利要求1所述的光脉冲发生器，进一步包括：

a)第三干涉调制器，其输入端光耦合至第一干涉调制器的输出端，它还包括第一分臂、第二分臂及电输入端；

b)第四干涉调制器，含第一、第二分臂及电输入端，它光耦合至第三干涉调制器的第二分臂；

其中第三干涉调制器的光输出端以正比于电信号频率倍数的重复率产生脉冲，该电信号接入第二和第四干涉调制器的至少一个电输入端，且脉冲的占空比反比于光脉冲发生器的传输函数的阶数。

3．如权利要求1所述的光脉冲发生器，其中第一及第二干涉调制器中的至少一个调制光脉冲的相位。

4．如权利要求1所述的光脉冲发生器，其中第一及第二干涉调制器中的至少一个调制光脉冲的振幅。

5．如权利要求1所述的光脉冲发生器，其中第一及第二干涉调制器中的至少一个包含一个Mach-Zehnder调制器。

6．如权利要求1所述的光脉冲发生器，其中形成第一及第二干涉调制器中至少一个的衬底包含铌酸锂衬底。

7．如权利要求6所述的光脉冲发生器，其中铌酸锂衬底为X切割。

8．如权利要求6所述的光脉冲发生器，其中铌酸锂衬底为Z切割。

9．如权利要求1所述的光脉冲发生器，其中第一及第二干涉调制器中的至少一个为大致上速度匹配。

10．如权利要求1所述的光脉冲发生器，其中第一及第二干涉调制器中的至少一个为大致上温度补偿的。

11．如权利要求1所述的光脉冲发生器，其中第一及第二干涉调制器中的至少一个具有基本上限制于预定带宽的带宽，以增加光信号调制的效率。

12．如权利要求1所述的光脉冲发生器，其中第一及第二干涉调制器中至少一个的第一和第二分臂间的分流比大致小于1。

13．如权利要求1所述的光脉冲发生器，进一步包括一个相位调制器，其串联耦合到第一干涉调制器的输出端，相位调制器用接入其电输入端的调制信号线性调频光脉冲。

14．一种具有高阶传输函数的光脉冲发生器，该发生器包括：

a)多个并行光学联接的干涉调制器，每一个调制器含有第一、第二分臂及一个电输入端，

其中脉冲发生器的光输出端产生具有正比于电信号频率倍数的重复率的光脉冲，该电信号接入多个干涉调制器中至少一个的电输入端，且脉冲的占空比反比于光脉冲发生器的传输函数的阶数。

15．如权利要求14所述的光脉冲发生器，进一步包括一个偏置电极，电耦合至多个干涉调制器中至少一个的输出端，其中接入偏置电极的电压修正来自多个干涉调制器中至少一个的光信号的相位。

16．如权利要求14所述的光脉冲发生器，进一步包括一个相位调制器，耦合至多个干涉调制器中至少一个的输出端，相位调制器引入线性调频脉冲。

17．如权利要求14所述的光脉冲发生器，进一步包括一个相位调制器，耦合至光脉冲发生器的光输出端，相位调制器引入线性调频脉冲。

18．一种用高阶嵌套的干涉调制器产生光脉冲的方法，该方法包括：

a)接收输入光束；

b)将输入光束分为第一及第二光束；

c)电光偏置传送第一光束的材料，使第一光束的特性改变；

d)将第二光束分为第三及第四光束；

e)电光偏置传送第三及第四光束中的至少一个的材料，以使第三及第四光束中的至少一个的特性改变；

f)用电信号调制第三及第四光束中的至少一个；和

g)干涉第一、第三及第四光束以产生光脉冲，光脉冲的重复率正比于电调制信号的频率倍数，其占空比反比于嵌套的干涉调制器的阶数。

19．如权利要求18所述的方法，其中电光偏置传送第一光束的材料的步骤包括校正偏置电压，以使光脉冲具有预定的消光比。

20．如权利要求18所述的方法，进一步包括校正输入光束与第二光束的至少一个的分流比，使光脉冲具有预定的消光比。

21．如权利要求18所述的方法，其***号包含正弦波信号。

22．如权利要求18所述的方法，其***号包含具有调制第三及第四光束中至少一个的波形以使光脉冲包含孤子波形的信号。

23．如权利要求18所述的方法，其中调制第三及第四光束中至少一个的电信号包括关于光强最大值对称的信号。

24．一种产生归零脉冲的方法，该方法包括：

a)接收输入光束；

b)将输入光束分为第一及第二光束；

c)电光偏置传送第一光束的材料，使第一光束的特性改变；

d)将第二光信号分为第三及第四光束；

e)电光偏置传送第三及第四光束中的至少一个的材料，以使第三及第四光束中的至少一个的特性改变；

f)用电信号调制第三及第四光束中的至少一个；以及

g)干涉第一、第三及第四光束以产生归零脉冲，该脉冲频率为电调制信号频率的倍数。

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