本发明提供了一种生成光学单边带信号的方法，该方法包括以下步骤：把光场分裂成两个部分，在其中一部分的每个传输方向上引入±π/4弧度的相对相位延迟，用具有±π/2弧度的相对相位延迟的电信号对每一部分进行强度反射调制，然后重新组合该经反射调制的信号。
1.一种用单边带信号调制光载波场的装置，其特征在于，该装置包括：用于光载波信号的光输入；
第一光学分裂器，设置为把光载波信号分裂成第一组分信号和第二组分信号；
第一反射调制器，设置为用第一电信号来对该第一组分信号进行强度调制；
第二反射调制器，设置为用第二电信号来对该第二组分信号进行强度调制，该第二电信号对应于该第一电信号，具有±π/2弧度的相对相位延迟；
第一光学组合器，设置为重新组合经调制的该第一组分信号和经调制的该第二组分信号以产生光输出信号；以及第一相位延迟，设置为在该第一光学组合器重新组合该组分信号之前，把±π/2弧度的相位延迟施加到该组分信号之一中。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，由同一个所述光学组分提供所述第一光学分裂器和所述第一光学组合器。
3.根据权利要求1或者2所述的装置，其特征在于，所述第一相位延迟设置为在反射调制之前把±π/4弧度的相位延迟施加到所述组分信号之一中，然后在反射调制之后把±π/4弧度的相对相位延迟施加到该组分信号中。
4.根据前述权利要求任一项所述的装置，其特征在于，进一步包括
第二光学分裂器，插入在所述光输入和所述第一光学分裂器之间，
第二光学组合器，插入在所述第一光学组合器和所述光输出之间，以及第二相位延迟，设置为把相位延迟施加到该第二光学组合器的输入之一中，其中该第二光学分裂器设置为分裂在该第一光学分裂器和该第二光学组合器之间的所述光载波信号，该第二光学组合器设置为组合位于该第二光学组合器的一个输入处的该光载波信号和位于该第二光学组合器的另一个输入处的该第一光学组合器的输出，并且由该第二相位延迟产生的该相对相位延迟设置为从该光输出处的该光输出信号中去除该光载波。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第二光学组合器具有两个输出，所述光输出信号的第一输出位于所述装置的光输出处，其中该装置包括调节由所述第二相位延迟施加的相位延迟的反馈机构，以最大化该第二光学组合器的第二输出处的该光载波输出。
6.根据权利要求4或者5所述的装置，其特征在于，根据权利要求1到3中任一项所述的第二装置插入在所述第二光学分裂器和所述第二光学组合器之间，由此该第二装置的该第一光学分裂器的输入连接到该第二光学分裂器的输出上，并且该第二光学组合器的输入连接到该第二装置的该第一光学分裂器的输出上。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括：
第一附加光学分裂器/组合器，插入在所述第一光学分裂器和所述第一反射调制器之间，该第一附加光学分裂器/组合器通过传输和反射的±π/2弧度的相位延迟把所述第一组分信号的一部分导向第一附加反射调制器，第二附加光学分裂器/组合器，插入在所述第二光学分裂器和所述第二反射调制器之间，该第二附加光学分裂器/组合器通过传输和反射的±π/2弧度的相位延迟把所述第二组分信号的一部分导向第二附加反射调制器，其中该第一附加光学分裂器/组合器的该经组合的输出和该第二附加光学分裂器/组合器的该经组合的输出通过该第一光学组合器组合，以及其中施加到该第一附加反射调制器的该电信号是所述第一电信号的逆信号，并且施加到该第二附加反射调制器的该电信号是所述第二电信号的逆信号。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一相位延迟是可变相位延迟。
9.一种生成光学单边带信号的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：把光场分裂成两个部分，用具有±π/2弧度的相对相位延迟的电信号对每一部分进行强度反射调制，在其中一部分引入±π/2弧度的相对相位延迟，然后重新组合该经反射调制的信号。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述在其中一部分引入相对相位延迟的步骤，包括在该部分的每个传输方向即反射前和反射后调制方向上引入±π/4弧度的相对相位延迟。
11.根据权利要求9或者10所述的方法，其特征在于，所述反射调制步骤使用反射电吸收调制器(R-EAM)。
12.根据权利要求9到11任一项所述的方法，其特征在于，通过硅基二氧化硅波导进行所述光学分裂、重组和相位延迟。
13.根据权利要求9到11任一项所述的方法，其特征在于，通过磷化铟波导进行所述光学分裂、重组和相位延迟。
14.根据权利要求9到13任一项所述的方法，其特征在于，所述组分部件组装在混合光子集成电路上。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述组分部件组装在单片光子集成电路上。
16.根据权利要求9到15任一项所述的方法，其特征在于，包括使用至少一个附加光学分裂器、组合器和相位调节器来去除或者减少所述光载波。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包括通过反馈来控制所述经组合信号的相位和振幅以优化去除所述光载波。
18.根据权利要求9到17任一项所述的方法，其特征在于，组合两个所述单边带调制器的输出。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述相位调节器用于控制载波的电平。
20.根据权利要求9到19任一项所述的方法，其特征在于，在一个或多个所述混合或单片光子集成电路上组合多个所述单边带发生器或者所述组分部件。
光学单边带传输器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用单边带信号调制光载波场的装置和方法。应用于光纤通信网络和光纤传感器网络中。
背景技术
[0002] 众所周知，使用光学单边带(Single Sideband，SSB)调制器，电生成的调制格式可转化成光频。由于人们对生成更复杂的调制格式以提高频谱效率的兴趣日益浓厚，因此需要一种高效且性价比高的光学单边带调制方法。
[0003] 生成光学单边带的普通方法是使用一个或多个马赫曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)装置。马赫曾德尔干涉仪的臂部包含光学相位调节器和光电相位调制器，均由电信号的组合来驱动。使用光路长度的适当组合并控制电驱动信号的相位，来实现使载波和一组边带被抵消(无效)的正确相位关系。结果调制器较大(几个厘米长)，通常需要特别的行波电极结构，并且不太适合于光子集成电路(Photonic Integrated Circuit，PIC)内的光学集成。
发明内容
[0004] 本发明提供了一种根据权利要求1所述的用单边带信号调制光载波场的装置和一种根据权利要求9所述的方法。在从属权利要求中说明了可选的特征。
[0005] 根据本发明，至少在优选的实施例中，基于迈克尔逊干涉仪(Michelson Interferometer)臂部内的光学强度调制器(通常100微米长)，可以具有更加紧凑的结构。通过适当定相的电调制信号，可驱动放置在干涉仪每个臂部的端部的反射模式电吸收调制器(Reflection-mode Electro-Absorption Modulator，REAM)。两个臂部的相对光路长度可调整，从而可获得经调制的光载波之间的正确光学相位关系。迈克尔逊干涉仪比马赫曾德尔干涉仪本质上更紧凑，并且理想地适用于反射模式电吸收调制器技术。反射模式电吸收调制器的尺寸小、带宽较宽以及操作电压低，这也是其生产适用于光子集成电路的阵列装置的主要优势。
[0006] 宽泛地说，提供了一种生成光学单边带信号的方法，该方法包括以下步骤：把光场分裂成两部分，在其中一部分的每个传输方向上引入±π/4弧度的相对相位延迟，用具有±π/2弧度的相对相位延迟的电信号对每一部分进行强度反射调制，然后重新组合经反射调制的信号。
[0007] 反 射 调 制 器 可 为 反 射 电 吸 收 调 制 器 (Reflection Electro-AbsorptionModulator，R-EAM)。光学分裂、重组和相位延迟可通过硅基二氧化硅波导进行。组分部件可组装在混合光子集成电路上。
[0008] 光学分裂、重组和相位延迟可利用磷化铟波导进行。组分部件组装在单片光子集成电路上。
[0009] 附加的光学分裂器、组合器和相位调节器可用于去除或者减少光载波。可对两个单边带调制器的输出进行组合。相位调节器可用于控制载波的电平。
[0010] 在一个或多个混合或单片光子集成电路上可组合多个单边带发生器或者组分部件。
[0011] 还揭露了一种反馈控制系统，用于在光学单边带发生器内通过控制组分信号的相位和振幅来优化剩余光载波电平。
附图说明
[0012] 参照附图，后文中进一步描述本发明的实施例，其中：
[0013] 图1为根据本发明实施例的单边带(SSB)调制器的示意图；
[0014] 图2为根据本发明实施例的具有抑制载波的装置的单边带(SSB)调制器的示意图；
[0015] 图3为根据本发明实施例的具有抑制载波同时添加独立边带信号的替代装置的单边带(SSB)调制器的示意图；
[0016] 图4为根据本发明另一实施例的单边带(SSB)调制器的示意图。
具体实施方式
[0017] 图1示出了使用反射模式光学强度调制器4的光学单边带调制器1的第一实施例。反射模式强度调制器可基于反射电吸收调制器(Reflective Electro-Absorption Modulator，REAM)，这种技术的一个实例是由位于英国伊普斯威奇的CIP技术公司(CIP Technologies of Ipswich，UK)(www.ciphotonics.com/PDFs March09/R EAM 1550D.pdf)生产的R-EAM-1500反射电吸收调制器(Electro-Absorption Modulator，EAM)。连续的波光场Ein(t)应用到额定功率分裂/组合比率为50％(3dB)的光耦合器2的输入臂部5上。耦合器2把输入光分裂成两个相等的部分，并且该输入光导入反射强度调制器4中。其中一部分在朝着强度调制器4的行程中发生π/4弧度的光学相移3，并且在返程中进一步发生π/4的相移。最终结果是在两个臂部上经反射的信号之间产生π/2弧度的相对光学相位差值。携带有电信号x(t)及其希尔伯特(Hilbert)变换x^(t)的消息在各个反射强度调制器4的电输入6a，6b中应用(沿着任何直流偏压)。然后通过下列方程式给出耦合器
2的输出7上生成的光场Eo(t)：
[0018] Eo(t)＝0.5A.{[1+m.x(t)]0.5.Cos(wt)-[1+m.x^(t)]0.5.Sin(wt)}(1)[0019] 在该方程式中，A是输入场的振幅，m是强度调制器调制指数。平方根项取决于强度调制的方法。用理想的2×2耦合器散布矩阵导出方程式1，例如参见Agrawal，“Applications of Nonlinear Fiber Optics”，Academic Press 2001)。
[0020] 方程式1的平方根项进行级数展开得到：
[0021] Eo(t) ＝ 0.5A.{[1+m.x(t)/2-0.25m2x2(t)/2 ！ +---].Cos(wt)-[1+m.2 2
x^(t)/2-0.25mx^(t)/2！+---].Sin(wt)}(2)
[0022] 由于调制指数(m＜＜1)低，可省略级数展开中的更高次项，该输出近似于：
[0023] Eo(t)～(A/√2).[Sin(wt-π/4)+m/(2√2).{x(t).Cos(wt)-x^(t).Sin(wt)}](3)
[0024] 方程式3中的第一个项是剩余载波，其他的项是所需的单边带信号。这种单边带信号称为SSB-TC，其中TC表示发射载波。图1中和方程式3描述的实例单边带调制器用于生成上边带信号。然而，通过调节电输入6a和6b上的调制信号的电相位和/或调节光学相位3，可生成下边带信号。
[0025] 由于耦合器2的光学分裂/组合比率平衡的不完善以及连接反射调制器的臂部内的光路损失的差异，因此需要调整电驱动信号参数，比如直流偏压和调制信号振幅，以优化边带抑制比率。相移元件3作为可变相位调节器基于波导加热器而实施，因为这样可在设置单边带发生器的操作点时提供额外的自由度。
[0026] 信号的希尔伯特变换相当于给信号的所有频率组分施加π/2的相移。调制信号x(t)及其在电输入6a，6b处的希尔伯特变换x^(t)事实上可为任何类型的信息携带波形，范围从简单模拟或者数字基带信号到许多数据信号的频分多路复用。应用范围从点到点数字传输系统到许多数据信号的频分多路复用，比如，用于有线接入电视(Cable Access Television，CATV)中。
[0027] 图2示出了可用于抑制方程式3中所示的光载波组分的第二实施例。在该实施例中，耦合器10把输入场分裂成两部分，其中一部分发送到上述图1相关描述的SSB-TC发生器1内，而第二部分在输出端口耦合器11处从SSB-TC信号中去除以生成单边带抑制载波(Single Sideband Suppressed Carrier，SSB-SC)信号。通过用可调相位元件12调整载波相位，从而在耦合器11内完成该去除。可调光学相位元件12可放置在耦合器11的任一输入端口，因为两个载波在耦合器11内组合时，重要的是两个载波的相对相位。相位12正确地设置以使输出端口13上的载波最小化时，载波会出现在输出端口14上，并在输出端口14内作为用于优化相位调节器12的反馈控制系统的一部分而被监测。可变光衰减器可放置在耦合器10的输出端口或者耦合器11的输入端口，以允许两个载波的振幅平衡，从而当载波在耦合器11内反相组合时最大化抑制载波。
[0028] 图2还示出了反射强度调制器8的阵列如何组装到普通基底上用于与硅基二氧化硅平面波导结构9进行边缘连接。
[0029] 图3示出了可用于抑制光载波并添加经单独调制的低边带信号的第三实施例。在该实施例中，耦合器10把输入信号分裂成两部分，其中每一部分都发送到SSB-TC发生器1中，并且相位调节器12使SSB-TC信号之一延迟后，相应的SSB-TC输出信号合并到耦合器11中。相位调节器12允许两个SSB-TC信号的载波组分的相对相位发生π弧度(180度)的异相，使得SSB-TC信号在输出端口13抵消。结果是，两个SSB-SC信号，一个包含x1(t)消息的上边带信号，另一个包含x2(t)消息的下边带信号。相位调节器12可放置在任一个SSB-TC发生器1的输出上，因为当载波在耦合器11内合并时，其目的只是在载波上生成π弧度(180度)的相移。类似地，通过调节消息信号的电驱动信号6a和6b的相对相位，可将消息信号置于上边带或者下边带上。当相位12正确地设置以使输出端口13上的载波最小化时，载波会出现在输出端口14上，并在输出端口14内作为用于优化相位调节器12的反馈控制系统的一部分而被监测。
[0030] 可变光衰减器可放置在耦合器10的输出端口或者耦合器11的输入端口，以允许两个载波的振幅平衡，从而当载波在耦合器11内反相组合时最大化抑制载波。
[0031] 如下总结所提出的单边带生成方法的优点：
[0032] 由于尺寸减小，使用混合或者单片光子集成电路生产方法，所提出的单边带发生器的反射模式结构更适合于光子集成电路(PIC)的实施；
[0033] 与光学相位调制器(1厘米长)相比，反射强度调制器非常紧凑(100微米长)，比如反射电吸收调制器(R-EAM)，反射强度调制器具有不需要依靠行波电极结构的较宽带宽(大于20GHz)，并且仅仅需要低驱动电压。
[0034] 图4示出了基于图3所示的SSB-SC调制器的经修改版本的光学单边带调制器1的替代实施例。在该实施例中，光学相移3设置为在朝着强度调制器4的行程上产生π/2弧度的相移，并且在返程上进一步发生π/2的相移。最终结果是在两个臂部上的反射信号之间产生π弧度的相对光学相位差值。在电输入6a中应用携带有电信号x1(t)的消息，其逆信号-x1(t)在电输入6c中应用，并且信号的希尔伯特变换x^1(t)在电输入6b中应用，其逆信号x^1(t)在电输入6d中应用(沿着任何直流偏压)，到达反射强度调制器4。方程式4给出了耦合器2a的输出16上生成的光场Eo(t)：
[0035] Eo(x1t)＝0.5-3/2.Ei.{[1+m.x1(t)]0.5-[1-m.x1(t)]0.5}(4)
[0036] 在方程式中，Ei是输入光场，m是强度调制器调制指数。平方根项取决于强度调制的方法。用理想的2×2耦合器散布矩阵导出方程式4，例如参见Agrawal，“Applications of Nonlinear Fiber Optics”，Academic Press 2001)。通过平方根项的级数展开，方程式4简化成：
[0037] Eo(x1t) ＝ 0.5-3/2.Ei.{[m.x1(t)]/2-[m.x1(t)]2/8+[m.3 2 3
x1(t)]/16-+----[m.×1(t)]/2+[m.x1(t)]/8-[m.x1(t)]/16+----}(5)
[0038] 进一步简化成
[0039] Eo(x1t)＝0.5-3/2.Ei.{[m.x1(t)]+[m.x1(t)]3/8+---}(6)
[0040] 此外，重要的是观察到偶次谐波抵消，仅仅留下奇次项。方程式6仅仅显示了3次幂的级数展开。当调制深度m＜1时，省略更高次(奇次谐波)项所带来的影响可以忽略，并且所有的偶次谐波依然抵消。
[0041] 类似地，方程式7现给出了耦合器2b的输出17上生成的光场Eo(t)：
[0042] Eo(x^1t)＝0.5-3/2.Ei.{[m.x^1(t)]+[m.x^1(t)]3/8+---}(7)
[0043] 根据相位调节器12，方程式6和7所描述的信号以Φ弧度的相对相移合并到耦合器11中。如果相位差值设定为±π/2弧度，那么输出端口13和14处的信号变成：
[0044] Eo(t) ＝ 0.25.Ei.{[m.x1(t)]+[m.x1(t)]3/8+/-j.([m.x^1(t)]+[m.x^1(t)]3/8)}(8)
[0045] 在该方程式中，j表示-1的平方根。对应于+j或者-j的一个信号会出现在一个输出端口上，并且具有相反符号的相应信号会出现在另一个输出端口上。
[0046] 由于调制指数(m＜＜1)低，可省略级数展开中的更高次项，并且该输出近似于：
[0047] Eo(t)～0.25.Ei.{[m.x1(t)]+/-j.[m.x^1(t)]}(9)
[0048] 可立即认同方程式9为用于单边带信号的经典方程式。符号j(-)对应于下边带SSB信号，另一个符号j(+)对应于上边带SSB信号。从而，两个输出端口13，14具有相反边带的SSB信号。这个结果和前面方程式3中给出的结果的主要不同之处在于载波和所有的偶次谐波都消去了。然而，提高信号质量的代价是降低了效率，因为在每个输出端口仅仅生成一个SSB信号。
[0049] 由于耦合器2的光学分裂/组合比率平衡的不完善以及连接反射调制器的臂部内的光路损失的差异，因此需要调整电驱动信号参数，比如直流偏压和调制信号振幅，以优化边带抑制比率。相移元件3和12作为可变相位调节器基于波导加热器而实施，因为这样可在设置单边带发生器的操作点时提供额外的自由度。
[0050] 在该说明书的整个描述和权利要求中，“包括”和“包含”以及这些词语的变形意思都表示“包括但不限于”，其意不在于而且也不会排除其他的组分、整体或步骤。在该说明书的整个描述和权利要求中，除非上下文中另外要求，否则单数中也包括复数的意思。尤其地，在使用不定冠词的地方，除非上下文中另外要求，否则该说明书要理解成包括复数和单数。
[0051] 本发明所描述的特征、整体、特性或者组，连同本发明的特定方面、实施例或者实例要理解成可应用于此文中描述的其他的任何方面、实施例或者实例中，除非不兼容。该说明书(包括任何所附的权利要求、摘要和附图)中揭露的所有特征，和/或这样揭露的任何方法或者工序的所有步骤可以以任何组合方式进行组合，除非组合中这样的特征和/或步骤中有至少一些相互排斥。本发明不限于任何上述的具体实施例的细节。本发明延伸到该说明书(包括任何所附的权利要求、摘要和附图)中揭露的任何新特征或者特征的任何新组合，或者这样揭露的任何方法或工序中的任何新步骤或者步骤的任何新组合。
