硅光相干光模块发端性能优化方法及硅光相干光模块

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种硅光相干光模块发端性能优化方法及硅光相干光模块。

背景技术

硅光技术是基于硅和硅基衬底材料(如SiGe/Si、SOI等)作为光学介质，利用现有CMOS制造工艺在极小绝缘体薄膜硅片上进行光器件开发和集成的技术。硅光技术经过了早期40年的技术探索和近些年来的高速发展，已给很多行业带来了重大的技术性革新，尤其是在光通信领域。在当下数字化时代汇聚海量数据的今天，大数据传输、人工智能应用等对于数据吞吐量和时延都提出了更高的要求，硅光技术所集成光模块相较于分立式的传统光模块更能迎合当下网络传输高速率、低成本的性能要求。但由于硅光技术无法直接复用当前成熟的CMOS工艺及Fab产线，尽管硅光子和微电子都是基于硅材料的半导体工艺，不作修改的微电子工艺平台无法制备出高性能的硅光子器件，需要定制硅光工艺。硅光子工艺当前的发展水平相当于20世纪80年代初微电子的水平，自动化、系统化和规模化都还存在差距。一直以来，硅光技术都是叫好不叫座，当前阻碍硅光技术发展主要问题还是在产能及良品率上始终不足。

硅光集成光器件已在相干光模块中的规模应用，但由于硅光工艺的材料特性，硅光IQ调制器即便MZI的上下两臂设计成完全一样，其相关损耗相比传统工艺也要偏大些。硅光IQ调制器的相关损耗包括调制相关损耗MDL(Modulation Dependent Loss)和偏振相关损耗PDL(Polarization Dependent Loss)。

调制相关损耗MDL过大或一致性差，会影响调制信号后续的发送和接收。一般可通过常规的放大技术对调制信号进行放大，但经放大后的信号可能导致指征光调制发送数据的信号失真。因此硅光IQ调制器需要具有相对较低的光调制相关损耗MDL，从而提高发端调制信号的信号质量及一致性。

偏振相关损耗PDL是光器件或系统在所有偏振状态下最大传输和最小传输的比率。PDL对于硅光IQ调制器的表征至关重要，实际上每个器件都表现为一种偏振相关传输，因此硅光IQ调制器的插入损耗MDL随偏振状态而异。这种效应会沿传输链路不可控制地增长，对传输质量带来严重影响。个别器件的PDL会在系统内造成大的功率波动，从而提高了系统的比特误码率，甚至会导致网络故障。

硅光IQ调制器由于对工艺制程敏感，批量生产的硅光IQ调制器X/Y两个偏振态的光相关损耗(MDL和PDL)一致性很不好，从而对相干光模块的发端性能造成较大的影响，通常的做法是要求生产硅光调制器的厂家在器件出厂前，使用光调制分析仪(OMA)进行人工较准和性能筛选工作，极大的降低了生产制造效率和增加了制造成本。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种硅光相干光模块发端性能优化方法及硅光相干光模块，旨在现有技术中针对硅光IQ调制器的光相关损耗相比传统工艺器件的损耗偏大，且由于对工艺制程敏感，批量生产的X/Y两个偏振态的光相关损耗一致性很不好，导致相干光模块发端性能差异较大、良品率低且生产效率低下的技术问题。

第一方面，本发明提供一种硅光相干光模块发端性能优化方法，所述硅光相干光模块发端性能优化方法包括：

调节驱动器的增益，直至硅光IQ调制器X和Y两个偏振态的调制相关损耗与目标调制相关损耗的差值均小于第一预设值；

调节控制分光比的驱动电路的电压值，直至硅光IQ调制器X和Y两个偏振态的偏振相关损耗为极小值；

检测分光比是否处于第一预设范围以及控制分光比的驱动电路的电流值是否处于第二预设范围；

若是，则设置控制分光比的驱动电路的电压值为第一电压值，其中，第一电压值为最后一次调节得到的电压值；

若否，则返回所述调节控制分光比的驱动电路的电压值，直至硅光IQ调制器X和Y两个偏振态的偏振相关损耗为极小值的步骤。

可选的，所述调节控制分光比的驱动电路的电压值，直至硅光IQ调制器X和Y两个偏振态的偏振相关损耗为极小值的步骤包括：

获取硅光IQ调制器X偏振态的纠错前误码率Pre-FEC_BER

检测Q

若Q

若Q

可选的，所述获取硅光IQ调制器X偏振态的纠错前误码率Pre-FEC_BER

获取硅光IQ调制器X偏振态的纠错前误码率Pre-FEC_BER

第二纠错前误码率与Q值的换算公式为：

其中，erfcinv为互补误差函数的反函数。

可选的，所述若Q

若Q

txpow

其中，abs()表示对括号内的值求绝对值，txpow

可选的，在所述检测分光比是否处于第一预设范围以及控制分光比的驱动电路的电流值是否处于第二预设范围的步骤之前，还包括：

获取X偏振态的monitor-PD经过光电转换后通过ADC采样得到的光功率值txpdx_adc以及Y偏振态的monitor-PD经过光电转换后通过ADC采样得到的光功率值txpdy_adc；

将txpdx_adc与txpdy_adc代入分光比计算公式，得到分光比，分光比计算公式为：

txpdx_ratio＝txpdx_adc/txpdy_adc

其中，txpdx_ratio为分光比。

可选的，所述若是，则设置控制分光比的驱动电路的电压值为第一电压值的步骤包括：

若是，则设置控制分光比的驱动电路的电压值为第一电压值，并记录硅光IQ调制器的工作温度；

在所述若是，则设置控制分光比的驱动电路的电压值为第一电压值的步骤之后还包括：

当硅光IQ调制器的工作温度发生变化时，根据温度变化值以及温度和电压的对应关系确定调整系数；

根据调整系数对第一电压值进行调整，得到第二电压值，设置控制分光比的驱动电路的电压值为第二电压值。

第二方面，本发明还提供一种硅光相干光模块，所述硅光相干光模块包括：

第一调节模块，用于调节驱动器的增益，直至硅光IQ调制器X和Y两个偏振态的调制相关损耗与目标调制相关损耗的差值均小于第一预设值；

第二调节模块，用于调节控制分光比的驱动电路的电压值，直至硅光IQ调制器X和Y两个偏振态的偏振相关损耗为极小值；

检测模块，用于检测分光比是否处于第一预设范围以及控制分光比的驱动电路的电流值是否处于第二预设范围；

设置模块，用于若是，则设置控制分光比的驱动电路的电压值为第一电压值，其中，第一电压值为最后一次调节得到的电压值；

返回模块，用于若否，则返回所述调节控制分光比的驱动电路的电压值，直至硅光IQ调制器X和Y两个偏振态的偏振相关损耗为极小值的步骤。

可选的，第二调节模块，用于：

获取硅光IQ调制器X偏振态的纠错前误码率Pre-FEC_BER

检测Q

若Q

若Q

可选的，第二调节模块，用于：

获取硅光IQ调制器X偏振态的纠错前误码率Pre-FEC_BER

第二纠错前误码率与Q值的换算公式为：

其中，erfcinv为互补误差函数的反函数。

可选的，第二调节模块，用于：

若Q

txpow

其中，abs()表示对括号内的值求绝对值，txpow

本发明中，调节驱动器的增益，直至硅光IQ调制器X和Y两个偏振态的调制相关损耗与目标调制相关损耗的差值均小于第一预设值；调节控制分光比的驱动电路的电压值，直至硅光IQ调制器X和Y两个偏振态的偏振相关损耗为极小值；检测分光比是否处于第一预设范围以及控制分光比的驱动电路的电流值是否处于第二预设范围；若是，则设置控制分光比的驱动电路的电压值为第一电压值，其中，第一电压值为最后一次调节得到的电压值；若否，则返回所述调节控制分光比的驱动电路的电压值，直至硅光IQ调制器X和Y两个偏振态的偏振相关损耗为极小值的步骤。通过本发明，可以有效消除硅光IQ调制器由于工艺制程导致的光调制相关损耗和偏振相关损耗在批量生产过程中一致性不好的问题，从而提高硅光相干光模块的发端信号质量及一致性，优化发端性能。

附图说明

图1为本发明硅光相干光模块发端性能优化方法一实施例的流程示意图；

图2为一实施例中硅光收发一体集成器件COSA内部基本框图；

图3为一实施例中硅光收发一体集成器件COSA内部详细框图；

图4为一实施例中超100G硅光相干光模块的架构示意图；

图5为一实施例中COSA、主控单元以及控制分光比的电流源驱动单元的架构示意图；

图6为一实施例中控制分光比的驱动电路的示意图；

图7为本发明硅光相干光模块一实施例的功能模块示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

第一方面，本发明实施例提供了一种硅光相干光模块发端性能优化方法。

一实施例中，参照图1，图1为本发明硅光相干光模块发端性能优化方法一实施例的流程示意图。如图1所示，硅光相干光模块发端性能优化方法包括：

步骤S10，调节驱动器的增益，直至硅光IQ调制器X和Y两个偏振态的调制相关损耗与目标调制相关损耗的差值均小于第一预设值；

本实施例中，参照图2，图2为一实施例中硅光收发一体集成器件COSA内部基本框图。如图2所示，COSA集成有硅光IQ调制器即DP-IQ Modulator、相干接收机ICR、分束器BS、高带宽线性驱动器Driver及高带宽线性跨阻放大器TIA等。其中分束器BS将外置集成可调窄线宽光源ITLA输出的光信号分为2路，一路送入发送端的硅光IQ调制器，另一路送入接收端的相干接收机；Driver主要是将DSP输出的高速模拟电信号放大后送入硅光IQ调制器；硅光IQ调制器主要完成发送端光信号的调制；相干接收机主要功能为完成线路侧输入的光信号光电转换；TIA将模拟电信号放大后输入给DSP进行处理。

其中，硅光IQ调制器是需要加载射频电压驱动的，而调节高带宽线性驱动器Driver的OA数值即增益大小(实际就是改变高带宽线性驱动器Driver输出的电信号幅度信号的大小)，能够改变硅光IQ调制器X和Y两个偏振态的调制相关损耗。

参照图3，图3为一实施例中硅光收发一体集成器件COSA内部详细框图。如图3所示，虚线框为发端即硅光IQ调制器和驱动器的结构框图。硅光IQ调制器基本设计原理为：通过分束器BS将入射光分为X和Y两路。改变施加在MZ调制器上的PHASE shifter(即图3中的PHASE_XI、PHASE_XQ、PHASE_YI、PHASE_YQ、PHASE_X、PHASE_Y)电流大小，使两路光之间的相位差发生变化(电光效应)，再在调制器输出端合束器MMI_2x2叠加在一起。硅光IQ调制器一般通过VOA的设计来控制调节各路MZM输出光的大小(例如，分光比控制参数TXPOWXY为VOA设计)；并设计有monitor-PD即MPD来监控每路MZM的出光功率大小。图3所示的六路monitor-PD：TX_MPD_X、TX_MPD_Y、TX_MPD_XI、TX_MPD_XQ、TX_MPD_YI、TX_MPD_YQ，分别简写为TXPDX、TXPDY、TXPDXI、TXPDXQ、TXPDYI、TXPDYQ。

参照图4，图4为一实施例中超100G硅光相干光模块的架构示意图。如图4所示，超100G硅光相干光模块主要组成有：DSP、收发一体硅光集成COSA、光放大单元OA、集成可调窄线宽光源ITLA、主控单元Module controller以及Other block。其中ATT为可调光衰减器；收发一体硅光集成COSA包含：驱动器Driver、跨阻放大器TIA、相干接收机ICR、硅光IQ调制器DP-IQ Modulator以及分束器BS。

参照图5，图5为一实施例中COSA、主控单元以及控制分光比的电流源驱动单元的架构示意图。如图5所示，COSA(即图2中的DP-IQ Modulator)的母MZM和子MZM均分别内置的监控PD即monitor-PD。TXPD

具体的，首先获取硅光IQ调制器X和Y两个偏振态的调制相关损耗，例如：

硅光IQ调制器X的调制相关损耗MDL

硅光IQ调制器Y的调制相关损耗MDL

其中，TXPD

然后，检测是否满足条件1：

硅光IQ调制器X的调制相关损耗MDL

其中，目标调制相关损耗以及第一预设值均根据实际需要进行设置，例如目标调制相关损耗设置为18db，第一预设值设置为0.25db，此处仅为示意性说明，不构成对目标调制相关损耗以及第一预设值的限制。

若不满足上述条件1，则调节驱动器的增益，直至满足上述条件1。

步骤S20，调节控制分光比的驱动电路的电压值，直至硅光IQ调制器X和Y两个偏振态的偏振相关损耗为极小值；

本实施例中，通过对控制分光比的驱动电路的电压值进行调整，使得硅光IQ调制器母MZM的X和Y两个偏振态的偏振相关损耗为极小值。

参照图6，图6为一实施例中控制分光比的驱动电路的示意图。如图6所示，控制分光比的驱动电路基于运放+MOSFET管组成，采样电阻Rsense在底部，硅光IQ调制器内部的负载在顶部即分光比控制管脚TXPOWXY是通过电流源来驱动的，流过采样电阻的电流即为TXPOWXY的电流，电流I

进一步地，一实施例中，步骤S20包括：

步骤S201，获取硅光IQ调制器X偏振态的纠错前误码率Pre-FEC_BER

本实施例中，由DSP监控读取X偏振态的纠错前误码率Pre-FEC_BER

进一步地，一实施例中，步骤S201包括：

获取硅光IQ调制器X偏振态的纠错前误码率Pre-FEC_BER

第二纠错前误码率与Q值的换算公式为：

其中，erfcinv为互补误差函数的反函数。

其中，在相位调制的相干光传输系统里，纠前误码率BER与Q(Linear)之间近似关系如：

因此，可以反推得到：

从而，得到上述第一纠错前误码率与Q值的换算公式和第二纠错前误码率与Q值的换算公式。

步骤S202，检测Q

本实施例中，检测Q

步骤S203，若Q

本实施例中，若Q

进一步地，一实施例中，若Q

若Q

txpow

其中，abs()表示对括号内的值求绝对值，txpow

步骤S204，若Q

本实施例中，当Q

步骤S30，检测分光比是否处于第一预设范围以及控制分光比的驱动电路的电流值是否处于第二预设范围；

本实施例中，当硅光IQ调制器X和Y两个偏振态的调制相关损耗与目标调制相关损耗的差值均小于第一预设值，且硅光IQ调制器X和Y两个偏振态的偏振相关损耗为极小值时，计算分光比，读取控制分光比的驱动电路的电流值，并检测分光比是否处于第一预设范围以及控制分光比的驱动电路的电流值是否处于第二预设范围。

进一步地，在步骤S30之前，还包括：

获取X偏振态的monitor-PD经过光电转换后通过ADC采样得到的光功率值txpdx_adc以及Y偏振态的monitor-PD经过光电转换后通过ADC采样得到的光功率值txpdy_adc；

将txpdx_adc与txpdy_adc代入分光比计算公式，得到分光比，分光比计算公式为：

txpdx_ratio＝txpdx_adc/txpdy_adc

其中，txpdx_ratio为分光比。

本实施例中，读取母MZM即X/Y两个偏振态监控PD即monitor-PD经光电转换ADC采样后的光功率值，即可获取ADC_TXPDX、ADC_TXPDY的code值为txpdx_adc、txpdy_adc，从而计算分光比txpd_ratio＝txpdx_adc/txpdy_adc。

步骤S40，若是，则设置控制分光比的驱动电路的电压值为第一电压值，其中，第一电压值为最后一次调节得到的电压值；

本实施例中，若分光比处于第一预设范围且控制分光比的驱动电路的电流值处于第二预设范围，则设置控制分光比的驱动电路的电压值为最后一次调节得到的电压值。

步骤S50，若否，则返回所述调节控制分光比的驱动电路的电压值，直至硅光IQ调制器X和Y两个偏振态的偏振相关损耗为极小值的步骤。

本实施例中，若分光比不处于第一预设范围和/或控制分光比的驱动电路的电流值不处于第二预设范围，则返回步骤S20。

本实施例中，调节驱动器的增益，直至硅光IQ调制器X和Y两个偏振态的调制相关损耗与目标调制相关损耗的差值均小于第一预设值；调节控制分光比的驱动电路的电压值，直至硅光IQ调制器X和Y两个偏振态的偏振相关损耗为极小值；检测分光比是否处于第一预设范围以及控制分光比的驱动电路的电流值是否处于第二预设范围；若是，则设置控制分光比的驱动电路的电压值为第一电压值，其中，第一电压值为最后一次调节得到的电压值；若否，则返回所述调节控制分光比的驱动电路的电压值，直至硅光IQ调制器X和Y两个偏振态的偏振相关损耗为极小值的步骤。通过本实施例，可以有效消除硅光IQ调制器由于工艺制程导致的光调制相关损耗和偏振相关损耗在批量生产过程中一致性不好的问题，从而提高硅光相干光模块的发端信号质量及一致性，优化发端性能，且无需使用昂贵仪表，充分利用相干光模块自身的控制特性，不需要更改现有光模块硬件电路，成本低、效率高。

进一步地，一实施例中，所述若是，则设置控制分光比的驱动电路的电压值为第一电压值的步骤包括：

若是，则设置控制分光比的驱动电路的电压值为第一电压值，并记录硅光IQ调制器的工作温度；

在所述若是，则设置控制分光比的驱动电路的电压值为第一电压值的步骤之后还包括：

当硅光IQ调制器的工作温度发生变化时，根据温度变化值以及温度和电压的对应关系确定调整系数；

根据调整系数对第一电压值进行调整，得到第二电压值，设置控制分光比的驱动电路的电压值为第二电压值。

本实施例中，设置控制分光比的驱动电路的电压值为第一电压值，并记录硅光IQ调制器的工作温度；后续，若检测到硅光IQ调制器的工作温度发生变化，则根据温度变化值以及温度和电压的对应关系确定调整系数；从而根据调整系数对第一电压值进行调整，得到第二电压值，设置控制分光比的驱动电路的电压值为第二电压值。

第二方面，本发明实施例还提供一种硅光相干光模块。

一实施例中，参照图7，图7为本发明硅光相干光模块一实施例的功能模块示意图。如图7所示，硅光相干光模块包括：

第一调节模块10，用于调节驱动器的增益，直至硅光IQ调制器X和Y两个偏振态的调制相关损耗与目标调制相关损耗的差值均小于第一预设值；

第二调节模块20，用于调节控制分光比的驱动电路的电压值，直至硅光IQ调制器X和Y两个偏振态的偏振相关损耗为极小值；

检测模块30，用于检测分光比是否处于第一预设范围以及控制分光比的驱动电路的电流值是否处于第二预设范围；

设置模块40，用于若是，则设置控制分光比的驱动电路的电压值为第一电压值，其中，第一电压值为最后一次调节得到的电压值；

返回模块50，用于若否，则返回所述调节控制分光比的驱动电路的电压值，直至硅光IQ调制器X和Y两个偏振态的偏振相关损耗为极小值的步骤。

进一步地，一实施例中，第二调节模块20，用于：

获取硅光IQ调制器X偏振态的纠错前误码率Pre-FEC_BER

检测Q

若Q

若Q

进一步地，一实施例中，第二调节模块20，用于：

获取硅光IQ调制器X偏振态的纠错前误码率Pre-FEC_BER

第二纠错前误码率与Q值的换算公式为：

其中，erfcinv为互补误差函数的反函数。

进一步地，一实施例中，第二调节模块20，用于：

若Q

txpow

其中，abs()表示对括号内的值求绝对值，txpow

进一步地，一实施例中，硅光相干光模块发端性能优化还包括计算模块，用于：

获取X偏振态的monitor-PD经过光电转换后通过ADC采样得到的光功率值txpdx_adc以及Y偏振态的monitor-PD经过光电转换后通过ADC采样得到的光功率值txpdy_adc；

将txpdx_adc与txpdy_adc代入分光比计算公式，得到分光比，分光比计算公式为：

txpdx_ratio＝txpdx_adc/txpdy_adc

其中，txpdx_ratio为分光比。

进一步地，一实施例中，设置模块40，用于：

若是，则设置控制分光比的驱动电路的电压值为第一电压值，并记录硅光IQ调制器的工作温度；

当硅光IQ调制器的工作温度发生变化时，根据温度变化值以及温度和电压的对应关系确定调整系数；

根据调整系数对第一电压值进行调整，得到第二电压值，设置控制分光比的驱动电路的电压值为第二电压值。

其中，上述硅光相干光模块中各个模块的功能实现与上述硅光相干光模块发端性能优化方法实施例中各步骤相对应，其功能和实现过程在此处不再一一赘述。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上所述的一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备执行本发明各个实施例所述的方法。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。