System for integrated photonic chromatic dispersion compensation

Abstract

Systems for chromatic dispersion compensation or pre-compensation in optical communication signals are disclosed. Embodiments of the present disclosure include a photonic finite impulse response filter in a direct form topology. The filter comprises a series of interconnected Mach-Zehnder interferometers that can together receive an optical signal and that can each contribute towards a filtered optical signal through a corresponding tap. Phase shifters in each interferometer and each tap control the impulse response of the filter. Some embodiments may be configured to compensate for chromatic dispersion in a received optical signal. Other embodiments may be configured to pre-compensate a received optical signal for anticipated chromatic dispersion. Further embodiments may be configured to receive an optical signal with diverse polarizations.

Description

System for Integrated Photonic Chromatic Dispersion CompensationTECHNICAL FIELD

[0001] The present disclosure generally relates to communication networks, and more particularly systems for compensating chromatic dispersion in optical communication networks.BACKGROUND

[0002] Intensity modulation with direct detection (IMDD) is a type of fiber-optic communication wherein information is encoded into a light signal as light pulses by modulating the intensity of the light and is then decoded by detecting the intensity of the light. Key benefits of IMDD transceivers are their simplicity and cost-effectiveness, which has made them less expensive and easier to deploy than coherent detection systems. IMDD also requires less processing power because of its direct detection, which does not involve complex signal processing. IMDD systems furthermore have good power efficiency, because the information is carried directly in the intensity of the light. This makes the systems particularly well-suited for short-range and medium-range network applications, where power efficiency is critical. However, IMDD systems are susceptible to dispersion (chromatic dispersion) , a broadening of light pulses as they travel along a fiber that is due to the different wavelengths of each light pulse travelling at different speeds. Dispersion can cause errors in transmissions, which become increasingly problematic as the distance or data rate for a transmission increases. As the data rate increases, the separation between pulses becomes narrower, causing them to overlap when dispersed. Similarly, the further a pulse travels, the more it will spread and the more it will overlap with a neighbouring pulse. These limitations on distance and data rate preclude IMDD systems from applications with long-haul or ultrahigh-speed data transmissions.

[0003] Attempts towards mitigating or counteracting chromatic dispersion in fiber-optic communication have produced solutions that are costly, complicated, or inefficient. Splicing dispersion compensation fibers, having opposing dispersion characteristics, into a transmission line may counteract some dispersion effects but can create losses that necessitate additional optical amplification. This increases the system cost and power consumption. Dispersion compensation fibers are furthermore bulky and cannot be adapted to varying levels of dispersion. Adding fiber Bragg gratings, which introduces periodic variations of the refractive index in the fiber core to reflect specific wavelengths, may compensate dispersion for certain bandwidths but not for broadband operation. Fiber Bragg gratings are also expensive because of the precision required in their manufacture. Chirped fiber Bragg gratings, which may offer compensation over a broader wavelength range, are still more expensive and complicated to manufacture. Although the level of dispersion in these gratings can be adjusted, the thermal tuners needed to make the adjustments consume high amounts of power.

[0004] Integrated photonic lattice filters have also been proposed for dispersion compensation. These filters comprise a cascade of Mach-Zehnder interferometers (MZIs) interspersed with programmable delay lines. Although the filters have been able to compensate multiple wavelength division multiplexing channels, they present major operational challenges. First, the thermal tuners associated with the MZIs require high power consumption and only permit course adjustments. Second, the calibration procedure for the filters is complicated, which hampers maintenance and device adjustments or reconfiguration. In particular, determining the coefficients that characterize the impulse response of the filter requires executing a complicated recursive algorithm. The difficulty associated with calibration can further require the filter to have additional monitoring elements for estimating and correcting fabrication imperfections. Third, the lattice filters are not capable of operating with diverse polarizations, being only designed for operation with transverse electric (TE) modes and not working for transverse magnetic (TM) modes.

[0005] Therefore, improvements in chromatic dispersion compensation for optical communication systems are desirable.

[0006] This background information is provided to reveal information believed by the applicant to be of possible relevance to the present invention. No admission is necessarily intended, nor should be construed, that any of the preceding information constitutes prior art against the present invention.SUMMARY

[0007] An object of embodiments of the present disclosure is to provide chromatic dispersion compensation for optical communication systems.

[0008] A first aspect of the present disclosure is to provide a chromatic dispersion compensation (CDC) system comprising a direct-form finite impulse response (DF-FIR) filter and a control circuit. The DF-FIR filter may comprise a plurality of Mach-Zehnder interferometers (MZIs) , a plurality of optical delay devices, and an optical combiner. Each MZI of the plurality of MZIs may have a respective MZI phase element with an MZI phase, a respective input port, a respective first output optical link (OOL) , and a respective second OOL having an OOL phase element with an OOL phase. The DF-FIR filter may be configured to receive a chromatically dispersed (CD) optical signal at a first MZI of the plurality of MZIs. Each optical delay device of the plurality of optical delay devices may couple the first OOL of a respective MZI of the plurality of MZIs to the input port of a next respective MZI of the plurality of MZIs. The optical combiner may be configured to combine distributary optical signals into a combined optical signal, the distributary optical signals depending from the CD optical signal and being received, at the optical combiner, from each of the respective second OOLs. The control circuit may be configured to control the MZI phase of each MZI phase element of each MZI of the plurality of MZIs and the OOL phase of each OOL phase element of each MZI of the plurality of MZIs to compensate for a chromatic dispersion of the CD optical signal.

[0009] In some embodiments of the first aspect, the CDC system may further comprise a first photodetector coupled to the second OOL of a last MZI of the plurality of MZIs, and a second photodetector coupled to the optical combiner to detect the combined optical signal.

[0010] In some embodiments of the first aspect, the CD optical signal may be an input CD optical signal and the CDC system may further comprise a polarization diversity circuit (PDC) . The PDC may have a grating coupler and a beam coupler. The grating coupler may be configured to receive an initial CD optical signal and to separate a first polarization component of the initial CD optical signal from an orthogonal second polarization component of the initial CD optical signal. The beam coupler may be configured to receive from the grating coupler the first polarization component of the initial CD optical signal and the second polarization component of the initial CD optical signal, combine the first polarization component of the initial CD optical signal and the second polarization component of the initial CD optical signal to form the input CD optical signal, and provide the input CD optical signal to the first MZI of the plurality of MZIs. In some embodiments, the grating coupler may be a two-dimensional grating coupler. In some embodiments, the beam coupler may be a self-aligning beam coupler. In some embodiments having a first photodetector and a second photodetector, the CDC system may further comprise a third photodetector coupled to the beam coupler of the PD. In these embodiments, the beam coupler may include at least one coupler phase element with a respective coupler phase, and the control circuit may be further configured to control the respective coupler phase of each of the at least one coupler phase element of the beam coupler to combine the first polarization component of the initial CD optical signal and the second polarization component of the initial CD optical signal. In some of these embodiments, the first photodetector, the second photodetector, and the third photodetector may each be a photodiode.

[0011] In some embodiments of the first aspect, at least one MZI phase element or at least one OOL phase element may include a phase-change-material (PCM) having a plurality of material phases each having associated thereto respective optical properties. The PCM may be configured to switch between material phases. In some embodiments, the PCM may be configured to switch between material phases in response to heat.

[0012] In some embodiments of the first aspect, at least one MZI phase element or at least one OOL phase element may include at least one of an electro-optic modulator, a plasma dispersion modulator, and a thermo-optic modulator.

[0013] In some embodiments of the first aspect, each MZI phase element may be a respective first MZI phase element; each MZI phase may be a respective first MZI phase; and each MZI may have a respective second MZI phase element with a second MZI phase, each second MZI phase of the respective second MZI phase element opposing the first MZI phase of the respective first MZI phase element.

[0014] In some embodiments of the first aspect, the DF-FIR filter may be an integrated photonics circuit. In some embodiments, the optical combiner may be one of a multimode interference coupler and an accumulator bus waveguide. In some of these embodiments, the accumulator bus waveguide may include a series of cascaded directional couplers coupled to an output waveguide. In some embodiments, the control circuit may include an analog-to-digital converter and a digital signal processor. In some of these embodiments, the digital signal processor may be configured to measure a figure of merit. In some of these embodiments, the control circuit may be further configured to optimize the figure of merit by controlling the MZI phase of each MZI phase element of each MZI of the plurality of MZIs and the OOL phase of each OOL phase element of each MZI of the plurality of MZIs. In some embodiments, the figure of merit may be a bit error rate.

[0015] A second aspect of the present disclosure is to provide a chromatic dispersion pre-compensation (CDPC) system comprising an optical signal generator, a DF-FIR filter, and a control circuit. The optical signal generator may be configured to generate a source optical signal. The DF-FIR filter may comprise a plurality of MZIs, a plurality of optical delay devices, and an optical combiner. Each MZI of the plurality of MZIs may have a respective MZI phase element with an MZI phase, a respective input port, a respective first OOL, and a respective second OOL having an OOL phase element with an OOL phase. The DF-FIR filter may be configured to receive the source optical signal from the optical signal generator at a first MZI of the plurality of MZIs. Each optical delay device of the plurality of optical delay devices may couple the first OOL of a respective MZI of the plurality of MZIs to the input port of a next respective MZI of the plurality of MZIs. The optical combiner may be configured to combine distributary optical signals into a combined optical signal, the distributary optical signals depending from the source optical signal and being received, at the optical combiner, from each of the respective second OOLs. The control circuit may be configured to control the MZI phase of each MZI phase element of each MZI of the plurality of MZIs and the OOL phase of each OOL phase element of each MZI of the plurality of MZIs to impart a pre-determined chromatic dispersion to the combined optical signal.

[0016] In some embodiments of the second aspect, the optical signal generator may comprise a laser. In some of these embodiments, the laser may be configured to modulate light to produce the source optical signal. In some embodiments, the optical signal generator may further comprise an optical modulator, and the control circuit may be further configured to control the optical modulator. In some of these embodiments, the optical modulator may be one of an electro-optic modulator, a plasma dispersion modulator, and an electro-absorption modulator.

[0017] In some embodiments of the second aspect, at least one MZI phase element or at least one OOL phase element may include a PCM having a plurality of material phases each having associated thereto respective optical properties. The PCM may be configured to switch between material phases. In some embodiments, the PCM may be configured to switch between material phases in response to heat.

[0018] In some embodiments of the second aspect, at least one MZI phase element or at least one OOL phase element may be one of an electro-optic modulator, a plasma dispersion modulator, and a thermo-optic modulator.

[0019] In some embodiments of the second aspect, each MZI phase element may be a respective first MZI phase element; each MZI phase may be a respective first MZI phase; and each MZI has a respective second MZI phase element with a second MZI phase, each second MZI phase of the respective second MZI phase element opposing the first MZI phase of the respective first MZI phase element.

[0020] In some embodiments of the second aspect, the DF-FIR filter may be an integrated photonics circuit. In some embodiments, the optical combiner may be one of a multimode interference coupler and an accumulator bus waveguide.

[0021] Embodiments have been described above in conjunction with aspects of the present invention upon which they can be implemented. Those skilled in the art will appreciate that embodiments may be implemented in conjunction with the aspect with which they are described but may also be implemented with other embodiments of that aspect. When embodiments are mutually exclusive, or are incompatible with each other, it will be apparent to those skilled in the art. Some embodiments may be described in relation to one aspect, but may also be applicable to other aspects, as will be apparent to those of skill in the art.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0022] FIG. 1 shows an example of an IMDD communication system, in which embodiments of the present disclosure may be implemented.

[0023] FIG. 2 shows a chromatic dispersion compensation system with a photonic finite impulse response filter in a direct-form topology, in accordance with an embodiment of the present disclosure.

[0024] FIG. 3A shows a phase-change-material phase shifter on a silicon-on-insulator platform for implementing systems of the present disclosure.

[0025] FIG. 3B shows a partial view of a phase-change-material phase shifter on a silicon nitride platform for implementing systems of the present disclosure.

[0026] FIG. 3C shows a partial view of a phase-change-material phase shifter on a silicon nitride platform for implementing systems of the present disclosure.

[0027] FIG. 4 shows a chromatic dispersion compensation system with a polarization diversity circuit, in accordance with an embodiment of the present disclosure.

[0028] FIG. 5 shows a chromatic dispersion pre-compensation system, in accordance with an embodiment of the present disclosure.

[0029] FIG. 6 shows an apparatus for implementing systems of the present disclosure.

[0030] FIG. 7 shows a schematic of an embodiment of an electronic device that may implement at least part of the systems of the present disclosure.DETAILED DESCRIPTION

[0031] To improve chromatic dispersion compensation in optical communication systems, embodiments of the present disclosure are directed towards providing a photonic finite impulse response (FIR) filter in a direct-form topology. In some embodiments, the photonic direct-form FIR (DF-FIR) filter may comprise a series of interconnected Mach-Zehnder interferometers (MZIs) each having a filter tap contributing to the output of the filter. Each MZI and filter tap may have a phase delay element that can be controlled by circuitry (controller circuitry) to produce a desired response in the filter output. In some embodiments, the photonic DF-FIR filter may receive a chromatically dispersed optical signal and filter the signal to compensate for the chromatic dispersion. In other embodiments, the photonic DF-FIR filter may receive an optical signal and filter the signal to anticipate chromatic dispersion. In some embodiments, the photonic DF-FIR filter may be accompanied by a polarization diversity circuit (PDC) to combine optical signal components of different polarization for the filter. In some embodiments, the phase delay elements may include a phase-change-material (PCM) that produces an optical phase change specific to a material phase of the PCM.

[0032] The present disclosure sets forth various embodiments via the use of block diagrams, flowcharts, and examples. Insofar as such block diagrams, flowcharts, and examples contain one or more functions and / or operations, it will be understood by a person skilled in the art that each function and / or operation within such block diagrams, flowcharts, and examples can be implemented, individually or collectively, by a wide range of hardware, software, firmware, or combination thereof. As used herein, the term “about” should be read as including variation from the nominal value, for example, a + / -10%variation from the nominal value. It is to be understood that such a variation is always included in a given value provided herein, whether or not it is specifically referred to. The terms in each of the following sets may be used interchangeably throughout the disclosure: output port and optical output link; and phase element and phase shifter.

[0033] FIG. 1 shows an example of an IMDD communication system for transmitting data 100, in which embodiments of the present disclosure may be implemented. The system comprises a first electrical domain 101 and a second electrical domain 102 that are connected by an optical domain 103. The first electrical domain 101 may act as a data transmitter. There, data 100 may be provided to an electrical modulator 104 to represent the data 100 as an electrical signal, such as a voltage or current pattern. The electrical signal may then be provided to an optical intensity modulator 105, which may convert the electrical signal to an optical signal. The creation of the optical signal may begin the optical domain 103. Once created, the optical signal may travel through an optical channel 106 to a receiver at the second electrical domain 102. The optical signal may be received in the second electrical domain 102 through optical direct detection 107, which may include converting the optical signal back into an electrical signal. The data 100 may be extracted from the electrical signal through matched filter detection 108.

[0034] At the first electrical domain 101, the data 100 may be encoded in the optical signal as a pattern of intensity changes, such as pulses. This encoding may be achieved by modulating a continuous light wave from a light source, such as a laser. In this case, the optical intensity modulator 105 may, for example, be an electro-optic modulator, a plasma dispersion modulator, or an electroabsorption modulator. Alternatively, encoding the data 100 in the optical signal may be achieved by directly modulating, with the electrical signal, a light source, such as a laser. In this case, the optical intensity modulator 105 may be a directly modulated light source. The optical signal may comprise a distribution of optical wavelengths or a monochromatic light with spectral broadening. For example, the optical signal may be generated about a single wavelength, such as 1550 nm, or may be generated across a band of wavelengths, such as 1530 nm to 1565 nm. In the optical domain 103, the optical channel 106 may, for example, be a fiber-optic communication channel and may comprise one or more optical links. At the second electrical domain 102, the optical signal may be converted to an electrical signal by detecting the intensity of the optical signal with a photodetector. The photodetector may, for example, be a photodiode or a phototransistor.

[0035] The data 100 extracted in the second electrical domain 102 may have errors resulting from chromatic dispersion that arises as the optical signal traverses the optical channel 106. As an optical signal travels through the optical channel 106, its constituent wavelengths may travel at different speeds and cause the optical signal to broaden, which can degrade the signal-to-noise ratio and increase inter-symbol interference.

[0036] FIG. 2 shows a photonic DF-FIR filter 200 for compensating chromatic dispersion in optical signals, in accordance with an embodiment of the present disclosure. The photonic DF-FIR filter 200 may comprise a series of interconnected MZIs 201. Each MZI 201 may have a single input port 202, a first output port 203, a second output port 204 and a pair of arms 205 coupling the single input port 202 to the first output port 203 and the second output port 204 (an output port may be referred to as an optical output link (OOL) ) . Each arm 205 of an MZI 201 may have an MZI phase element 206 with an optical phase shift (i.e., “MZI phase” ) and couple with the other arm before defining the first and second output ports. In some embodiments, only one arm of the MZI 201 may have an MZI phase element 206. The first output port 203 of each MZI 201 of the series of MZIs 201, except for the last MZI 201 of the series, may couple to the input port 202 of the next MZI 201 of the series through an optical delay device 207. The second output port 204 of each MZI 201 may define a filter tap 208 having a tap phase element 209 (i.e., “OOL phase element” ) with an optical phase shift (i.e., “OOL phase” ) . Each filter tap 208 may couple to an optical combiner 210. The total number of filter taps 208 minus one may define a filter order.

[0037] The input port 202 of the first MZI 201 of the series of MZIs 201 may define a filter input 211 that is configured to receive an optical signal. Each MZI 201 may be configured to receive, at the respective input port 202, a portion of the optical signal depending from the position of the MZI 201 in the series and the optical phase shift of the MZI phase elements 206 of each preceding MZI 201 in the series. Each MZI 201 may further be configured to distribute the received portion of the optical signal between the respective first output port 203 and the respective second output port 204. The portion of optical signal distributed to each second output port 204 may define a respective “distributary optical signal” . The optical combiner 210 may be configured to receive each distributary optical signal and combine them into a combined optical signal at a first filter output 212. The photonic DF-FIR filter 200 may further have a second filter output 213 defined by the first output port 203 of the last MZI 201 of the series of MZIs 201, which may receive a remaining optical signal.

[0038] Each MZI 201 may couple to the next MZI 201 of the MZI 201 series in accordance with a coupling ratio that characterizes the portion of an optical signal that is transferred from the respective MZI 201 to the next MZI 201. The coupling ratio of each MZI 201 may depend from the optical phase shift of the respective one or more MZI phase elements 206. The photonic DF-FIR filter 200 may have an impulse response that depends from the coupling ratio of each MZI 201 and from the optical phase shift of each tap phase element 209. The impulse response of the photonic DF-FIR filter 200 may be described by a series of complex filter coefficients corresponding to each MZI 201 of the series of MZIs 201. Each coupling ratio may define an amplitude of the complex filter coefficient for the respective MZI 201, and the optical phase shift of each tap phase element 209 may define a phase of the complex filter coefficient for the respective MZI 201. The output signal y [n] at the first filter output 212 of the photonic DF-FIR filter 200 at time instant n can be expressed as

[0039] where x [n] is the input signal at time instant n and hi is the complex filter coefficient of the ith filter tap 208, which is defined by the coupling ratio Ai of the ith MZI 201 and the effective phase shift θi of the ith tap phase element 209.

[0040] In some embodiments, the photonic DF-FIR filter 200 may be connected to a control circuit (controller) 214. Each MZI phase element 206 and each tap phase element 209 may be connected to the control circuit 214. Each connection may, for example, comprise an electrical connection. The control circuit may be configured to control each MZI phase element 206 and each tap phase element 209 individually by sending an electrical signal, such as a voltage or a current signal. Each  MZI phase element 206 and each tap phase element 209 may be configured to change its optical phase shift in response to an electrical signal from the control circuit 214. By controlling each MZI phase element 206 and each tap phase element 209, the control circuit 214 may confer a desired impulse response on the photonic DF-FIR filter 200. The photonic DF-FIR filter 200 and control circuit 214 may together form a chromatic dispersion compensation (CDC) system 215 wherein the control circuit 214 can control each MZI phase element 206 and each tap phase element 209 to compensate for chromatic dispersion in an optical signal received by the photonic DF-FIR filter 200.

[0041] In some embodiments, the photonic DF-FIR filter 200 of the CDC system 215 may be connected to one or more photodetectors, which may each be connected to the control circuit 214. A first photodetector 216 may be connected to the first filter output 212. A second photodetector 217 may be connected to the second filter output 213. The first photodetector 216 may receive the combined optical signal of the photonic DF-FIR filter 200 and convert it to a first electrical signal. The second photodetector 217 may receive the remaining optical signal from the second filter output 213 and convert it to a second electrical signal. The control circuit 214 may be connected to each of the first photodetector 216 and the second photodetector 217 to receive the first electrical signal and the second electrical signal respectively.

[0042] The second electrical signal obtained from the second photodetector 217 may be used to calibrate each MZI phase element 206. Each MZI phase element 206 may be calibrated by successively modulating, by the control circuit 214, each MZI phase element 206 of the MZI 201 series to minimize the optical power of the remaining optical signal at the second filter output 213, as indicated by the second electrical signal. This calibration may in turn be used to determine the dependence of each coupling ratio from the optical phase shift of the respective one or more MZI phase elements 206. The first electrical signal obtained from the first photodetector 216 may be used to calibrate the optical phase shift of each tap phase element 209. The optical phase shift of each tap phase element 209 may be calibrated by directing, by calibrated MZI phase elements 206 and in accordance with the determined coupling ratios, the optical signal to each filter tap 208 and successively modulating, by the control circuit 214, the respective tap phase element 209 to maximize the optical power of the combined optical signal at the first filter output 212, as indicated by the first electrical signal.

[0043] The CDC system 215 of FIG. 2, including the first photodetector 216 and the second photodetector 217, may be configured for real-time operation. For example, the control circuit 214 may be configured to modulate each of the MZI phase elements 206 and tap phase elements 209 to update the complex filter coefficient of each MZI 201 in real time. Updates may be made in response to physical changes in the chromatic dispersion system such as, for example, movements of components or temperature changes in the optical path that is being compensated by the photonic DF-FIR filter 200. Such changes may be detected from measuring a bit error rate or other appropriate figure of merit with the first photodetector 216. The control circuit 214 may be configured to optimize the bit error rate or other appropriate figure of merit by modulating each of the MZI phase elements 206 and tap phase elements 209. Alternatively, the CDC system 215 of FIG. 2 may have the complex filter coefficient of each MZI 201 set and fixed.

[0044] In some embodiments, the CDC system 215 of FIG. 2 may comprise an integrated photonic circuit including a plurality of integrated photonic structures, which may include photonic waveguides, couplers, crystals, resonators, splitters, and / or gratings. The integrated photonic structures may, for example, be fabricated according to a rib, ridge, slot, strip, or buried waveguide geometry. The integrated photonic structures may further, for example, be fabricated on a silicon-on-insulator (SOI) substrate. For example, waveguide structures may be fabricated as silicon rib waveguides, on an SOI platform with a 100 nm silicon slab, with a cross-sectional width comprised between 450 nm and 500 nm and a cross-sectional thickness of 120 nm. In another SOI example, the waveguide structures may be fabricated as silicon slot waveguides, with each wall of the slot having a width of 180 to 220 nm and a gap of 80 to 130 nm. As yet another example, the waveguide structures may be fabricated as strip, buried, or ridge silicon nitride (SiN) waveguides, having a cross-sectional width between 8 and 1000 nm and a cross-sectional thickness between 40 and 800 nm. The dimensions of the  photonic structures, including any waveguides, may vary and depend from the choice of materials and cladding, the coupling requirements, and other factors. Alternatively, the CDC system 215 may comprise free-space optical elements, which may include mirrors, lenses, beam splitters, optical modulators, and optical fibers.

[0045] Each optical delay device 207 of the photonic DF-FIR filter 200 may have a length that, for example, produces a tap delay equal to the symbol periodicity of the transmitted or received data. The number of MZIs 201 and corresponding filter taps 208 belonging to the photonic DF-FIR filter 200 may be determined by a maximum insertion loss permitted by a link budget of the communication system as well as a total amount of dispersion compensation desired. In some embodiments, the number of MZIs 201 and corresponding filter taps 208 may be comprised between 1 and 10. The optical combiner 210 of the photonic DF-FIR filter 200 may, for example, be an accumulator bus waveguide, a multimode interference coupler, or a y-branch tree coupler. In embodiments with the foremost, the accumulator bus waveguide may include a series of cascaded directional couplers connected to an output waveguide.

[0046] The first photodetector 216 and the second photodetector 217 of the CDC system 215 may each be, for example, a photodiode or a phototransistor. The first photodetector 216 and the second photodetector 217 may be configured to be sensitive to the optical wavelength of the optical signal. The control circuit 214 of the CDC system 215 may include an analog-to-digital converter, a digital-to-analog converter, and a digital signal processor or microprocessor.

[0047] Each MZI phase element 206 and each tap phase element 209 of the photonic DF-FIR filter 200 may be an optoelectronic device that can adjust its optical properties in response to an electrical signal to shift the phase of an optical signal passing through it. For example, each MZI phase element 206 and each tap phase element 209 may be a phase-change-material (PCM) phase shifter, an electro-optic modulator, a thermo-optic modulator, a plasma dispersion modulator, an electroabsorption modulator, or an acousto-optic modulator. In some embodiments of the photonic DF-FIR filter 200, each MZI 201 may have a push-pull configuration, wherein each MZI 201 comprises two MZI phase elements 206 that have opposing optical phase shifts.

[0048] FIGs. 3A, 3B, and 3C show PCM phase shifters that may be used to implement the photonic DF-FIR filter 200. FIG. 3A shows a first PCM phase shifter 310 on an SOI platform. The SOI platform may comprise an insulator layer 311 and a silicon layer 312 that may define an optical waveguide 313. In FIG. 3A, the optical waveguide 313 is shown as a rib waveguide, but the optical waveguide 313 may be formed in other geometries. The first PCM phase shifter 310 may comprise a PCM element 314 abutting the optical waveguide 313, a plurality of metal contacts 315 straddling the PCM element 314, and one or more doped regions 316 in the silicon layer 312 that join the plurality of metal contacts 315. The PCM phase shifter 310 may be configured to receive an electrical potential, from an electrical signal, across the plurality of electrical contacts 315 that causes resistive heating in the one or more doped regions 316. The resistive heating may cause the temperature of the PCM element 314 to change. The PCM element 314 may be configured such that its material phase changes in response to changes in temperature. The PCM element 314 may be further configured such that its material phase is determined by a rate or duration for which heat is applied to the PCM element 314. The PCM element 314 may have optical properties associated with it that depend from the material phase. Thus, the PCM element 314 may be configured to produce an optical phase change in an optical signal travelling by it that corresponds to the material phase of the PCM element 314, which may be controlled by an electrical signal. For example, the duration or fall time of an electrical pulse of an electrical signal applied across the plurality of electrical contacts 315 may determine a ratio of amorphous-to-crystalline material in the PCM element 314 and consequently the optical phase shift of the PCM element 314. The PCM element 314 may further be a non-volatile device that can maintain a desired optical phase shift after the electrical signal has been applied.

[0049] In some embodiments, the PCM element 314 may overlay a silicon nitride waveguide 321 instead of the optical waveguide 313 defined by the silicon layer 312. FIG. 3B shows a partial view of a second PCM phase shifter 320  comprising a silicon nitride waveguide 321. In other embodiments, an intermediary silicon dioxide layer 331 may separate the PCM element 314 and the silicon nitride waveguide 321. FIG. 3C shows a partial view of a third PCM phase shifter 330 comprising a silicon nitride waveguide 321 and a silicon dioxide layer 331.

[0050] In some embodiments, the PCM element 314 may comprise a chalcogenide compound, which may include, for example, germanium and / or antimony bonded with sulfur, selenium, and / or tellurium. Non-limiting examples of chemical compositions for the PCM element 314 may include SbS, SbSe, Sb2Se3, Ge2Sb2Te5 (GST) , GeTe, Ge2Sb2Se4Te (GSST) , Ge3Sb2Te6, and Sb2S3. The PCM element 314 may further comprise an alloy of a plurality of chemical compounds. In some embodiments, the one or more doped regions 316 may be n-doped and / or p-doped, and may have a spatially varying doping profile. For example, the one or more doped regions 316 may comprise an n++ region, an n region, and another n++ region that have each been doped with phosphorous. A thin film of transparent conductive oxide, such as indium tin oxide, may be used as an alternative to the one or more doped regions 316. In some embodiments, the PCM element 314 may have a length configured to provide up to a 2π optical phase shift while minimizing the insertion loss and footprint of the device.

[0051] In some embodiments in accordance with the present disclosure, for example the embodiment shown at FIG. 4, the CDC system 215 may further comprise a polarization diversity circuit (PDC) 400. The PDC 400 may be connected to the filter input 211 of the photonic DF-FIR filter 200 and may comprise a grating coupler (GC) 401 and a beam coupler (BC) 402. The GC 401 may be configured to receive an optical signal (i.e., an “initial optical signal” ) from, for example, a fiber optic cable. The optical signal may comprise a first polarization component and a second polarization component that is orthogonal to the first polarization component. The GC 401 may further be configured to receive and separate the first polarization component from the second polarization component. The GC 401 may, for example, be a two-dimensional polarization diversity grating coupler. The GC 401 may couple the first polarization component to a first waveguide 403 and the second polarization component to a second waveguide 404. The BC 402 may be configured to receive the first polarization component from the first waveguide 403 and the second polarization component from the second waveguide 404 and combine them. The BC 402 may comprise an MZI having two input ports corresponding to the first waveguide and the second waveguide, and two output ports. One of the two output ports may be connected to the filter input 211 while the other may be connected to a third photodetector 405. The third photodetector 405 may be configured to convert the optical signal received at the third photodetector 405 to a third electrical signal and may be connected to the control circuit 214. The MZI of the BC 402 may further have one or more BC phase elements 406 with an optical phase shift. The control circuit 214 may be connected to each BC phase element 406 and configured to control each BC phase element 406. The control circuit 214 may be further configured to control the optical phase shift of each BC phase element 406 in response to the third electrical signal received from the third photodetector 405, to make the BC 402 self-aligning. For example, the optical phase shift of each BC phase element 406 may be modulated in accordance with the third electrical signal to adjust the coupling ratio between the output ports, which may minimize the optical power of the optical signal at the third photodetector 405 and maximize the optical power of the optical signal (i.e., the “input optical signal” ) at the filter input 211. In some embodiments, the first waveguide and / or the second waveguide may have a respective phase element with an optical phase shift configured to be controlled by the control circuit 214.

[0052] Each BC phase element 406 of the PDC 400 may be an optoelectronic device that can adjust its optical properties in response to an electrical signal from the control circuit 214 to shift the phase of the optical signal passing through it. For example, each BC phase element 406 may be a PCM phase shifter, an electro-optic modulator, a thermo-optic modulator, a plasma dispersion modulator, an electroabsorption modulator, or an acousto-optic modulator. In some embodiments of the PDC 400, each BC phase element 406 may have a push-pull configuration. The third photodetector 405 connected to PDC 400 may be, for example, a photodiode or a phototransistor. The third photodetector 405 may be configured to be sensitive to the optical wavelength of the optical signal.

[0053] FIG. 5 shows a chromatic dispersion pre-compensation (CDPC) system 500 in accordance with another embodiment of the present disclosure. The CDPC system 500 may be used to pre-compensate an optical signal in anticipation of chromatic dispersion that may be acquired by the optical signal when it is transmitted. The CDPC system may comprise the photonic DF-FIR filter 200, the control circuit 214, and the second photodetector 217. The CDPC system 500 may be configured to receive a source optical signal at the filter input 211 of the photonic DF-FIR filter 200 and transmit a pre-compensated optical signal at the first filter output 212. To pre-compensate the source optical signal, the impulse response of the photonic DF-FIR filter 200 may be set by the control circuit 214 to be, approximately, the complex conjugate of an anticipated impulse response of the transmission. The pre-compensated optical signal may then have chromatic dispersion characteristics that oppose any anticipated chromatic dispersion. The CDPC system 500 may further include an optical signal generator 501. The optical signal generator 501 may comprise a light source 502, which may, for example, be a laser. The light source 502 may be configured to generate light and may be configured to encode data in the light through direct modulation to form the source optical signal. Alternatively, the optical signal generator 501 may comprise a light source 502 coupled to an optical intensity modulator 503, which may encode the data in the light generated by the light source 502 to form the source optical signal. The optical intensity modulator 503 may, for example, be an electro-optic modulator, a thermo-optic modulator, a plasma dispersion modulator, an electroabsorption modulator, or an acousto-optic modulator. The light source 502 and / or the optical intensity modulator 503 may be coupled to the filter input 211 of the photonic DF-FIR filter 200.

[0054] In some embodiments, the CDPC system 500 may comprise one or more integrated photonics chips. For a plurality of chips, the chips may, for example, be coupled together through heterogeneous integration techniques such as butt coupling, photonic wire bonding, or flip-chip bonding. Alternatively, the CDPC system 500 may comprise free-space optical elements, which may include mirrors, lenses, beam splitters, optical modulators, and optical fibers.

[0055] Embodiments of the present disclosure may be implemented using electronics hardware, software, or a combination thereof. Some embodiments may be implemented by one or multiple computer processors executing program instructions stored in memory. Some embodiments may be implemented partially or fully in hardware, for example, using one or more field programmable gate arrays (FPGAs) or application specific integrated circuits (ASICs) to rapidly perform processing operations.

[0056] FIG. 6 shows an apparatus 600 for implementing, at least partly, chromatic dispersion compensation and pre-compensation systems according to embodiments of the present disclosure. The apparatus 600 may, for example, be a part of the control circuit 210 of the CDC system 211 or the CDPC system 500. The apparatus 600 may include a network interface 620 and processing electronics 630. The processing electronics 630 may include a computer processor executing program instructions stored in memory, or other electronics components such as digital circuitry, including, for example, FPGAs and ASICs. The network interface 620 may include an optical communication interface or radio communication interface, such as a transmitter and receiver. The apparatus 600 may include several functional components, each of which may be partially or fully implemented using the underlying network interface 620 and processing electronics 630. Examples of functional components may include modules for receiving 640 a photodetector signal, determining 641 a transmission quality, calculating 642 an impulse response, and controlling 643 a phase element.

[0057] FIG. 7 shows a schematic diagram of an electronic device 700 that may perform any or all of the operations of the chromatic dispersion compensation or pre-compensation systems explicitly or implicitly described herein, according to different embodiments of the present disclosure. For example, the control circuit of the CDC system 211 or CDPC system 500 may be configured as electronic device 700.

[0058] As shown, the electronic device 700 includes a processor 710, such as a Central Processing Unit (CPU) or specialized processors such as a Graphics Processing Unit (GPU) or other such processor unit, memory 720, and a bi-directional bus 730 to communicatively couple the components of electronic device 700. Electronic device 700 may also optionally include a network interface 740, non-transitory mass storage 750, an I / O interface 760, and a transceiver 770. According to certain embodiments, any or all of the depicted elements may be utilized, or only a subset of the elements. Furthermore, the device 700 may contain multiple instances of certain elements, such as multiple processors, memories, or transceivers. In addition, elements of the hardware device may be directly coupled to other elements without the bi-directional bus. Additionally, or alternatively to a processor 710 and memory 720, other electronics, such as integrated circuits, may be employed for performing the required logical operations.

[0059] The memory 720 may include any type of non-transitory memory such as static random access memory (SRAM) , dynamic random access memory (DRAM) , synchronous DRAM (SDRAM) , read-only memory (ROM) , any combination of such, or the like. Memory 720 may include more than one type of memory, such as ROM for use at boot-up, and DRAM for program and data storage for use while executing programs. The mass storage element 750 may include any type of non-transitory storage device, such as a solid state drive, hard disk drive, a magnetic disk drive, an optical disk drive, USB drive, or any computer program product configured to store data and machine executable program code. According to certain embodiments, the memory 720 or mass storage 750 may have recorded thereon statements and instructions executable by the processor 710 for performing any of the aforementioned operations described above. In some embodiments, mass storage 750 may be remote to the electronic device 700 and accessible through use of a network interface such as interface 740. In the embodiment of FIG. 7, mass storage 750 is distinct from memory 720 and may generally perform storage tasks compatible with higher latency but may generally provide lesser or no volatility. In some embodiments, mass storage 750 may be integrated with the memory 720.

[0060] The bi-directional bus 730 may be one or more of any type of several bus architectures, including a memory bus or memory controller, a peripheral bus, or a video bus.

[0061] It will be appreciated that, although specific embodiments of the technology have been described herein for purposes of illustration, various modifications may be made without departing from the scope of the technology. The specification and drawings are, accordingly, to be regarded simply as an illustration of the invention as defined by the appended claims, and are contemplated to cover any and all modifications, variations, combinations or equivalents that fall within the scope of the present invention. In particular, it is within the scope of the technology to provide a computer program product or program element, or a program storage or memory device such as a magnetic or optical wire, tape or disc, or the like, for storing signals readable by a machine, for controlling the operation of a computer according to the technology and / or to structure some or all of its components in accordance with the system of the technology.

[0062] Operations associated with embodiments of the present disclosure may be implemented as coded instructions in a computer program product. In other words, the computer program product may be a computer-readable medium upon which software code may be recorded to execute the operations when the computer program product is loaded into memory and executed on the microprocessor of the wireless communication device.

[0063] Further, each operation may be executed on any computing device, such as a personal computer, server, PDA, or the like and pursuant to one or more, or a part of one or more, program elements, modules or objects generated from any programming language, such as C++, Java, or the like. In addition, each operation, or a file or object or the like implementing each said operation, may be executed by special purpose hardware or a circuit module designed for that purpose.

[0064] Embodiments of the present disclosure may be implemented by using hardware only or by using software and a necessary universal hardware platform. Based on such understandings, the technical solution of the present disclosure may be embodied in the form of a software product. The software product may be stored in a non-volatile or non-transitory storage medium, which may be a compact disk read-only memory (CD-ROM) , USB flash disk, or a removable hard disk. The software product includes a number of instructions that enable a computer device (personal computer, server, or network device) to execute the operations provided by the embodiments of the present disclosure. For example, such an execution may correspond to a simulation of the logical operations as described herein. The software product may additionally or alternatively include a number of instructions that enable a computer device to execute operations for configuring or programming a digital logic apparatus in accordance with embodiments of the present disclosure.

[0065] The word “a” or “an” when used in conjunction with the term “comprising” or “including” in the claims and / or the specification may mean “one” , but it is also consistent with the meaning of “one or more” , “at least one” , and “one or more than one” unless the content clearly dictates otherwise. Similarly, the word “another” may mean at least a second or more unless the content clearly dictates otherwise.

[0066] The terms “coupled” , “coupling” or “connected” as used herein can have several different meanings depending on the context in which these terms are used. For example, as used herein, the terms coupled, coupling, or connected can indicate that two elements or devices are directly connected to one another or connected to one another through one or more intermediate elements or devices via an optical element depending on the particular context. The term “and / or” herein when used in association with a list of items means any one or more of the items comprising that list.

[0067] Although a combination of features is shown in the illustrated embodiments, not all of them need to be combined to realize the benefits of various embodiments of this disclosure. In other words, a system designed according to an embodiment of this disclosure will not necessarily include all features shown in any one of the Figures or all portions schematically shown in the Figures. Moreover, selected features of one example embodiment may be combined with selected features of other example embodiments.

[0068] Although the present invention has been described with reference to specific features and embodiments thereof, it is evident that various modifications and combinations can be made thereto without departing from the invention. The specification and drawings are, accordingly, to be regarded simply as an illustration of the invention as defined by the appended claims, and are contemplated to cover any and all modifications, variations, combinations or equivalents that fall within the scope of the present invention.

Claims

1.A chromatic dispersion compensation (CDC) system comprising:a direct-form finite impulse response (DF-FIR) filter comprising:a plurality of Mach-Zehnder interferometers (MZIs) each having:a respective MZI phase element with an MZI phase;a respective input port;a respective first output optical link (OOL) ;anda respective second OOL having an OOL phase element with an OOL phase, the DF-FIR filter configured to receive a chromatically dispersed (CD) optical signal at a first MZI of the plurality of MZIs;a plurality of optical delay devices each coupling the first OOL of a respective MZI of the plurality of MZIs to the input port of a next respective MZI of the plurality of MZIs;andan optical combiner configured to combine distributary optical signals into a combined optical signal, the distributary optical signals depending from the CD optical signal and being received, at the optical combiner, from each of the respective second OOLs;anda control circuit configured to control the MZI phase of each MZI phase element of each MZI of the plurality of MZIs and the OOL phase of each OOL phase element of each MZI of the plurality of MZIs to compensate for a chromatic dispersion of the CD optical signal.2.The CDC system of claim 1 wherein the CD optical signal is an input CD optical signal, the CDC system further comprising:a polarization diversity circuit (PDC) having:a grating coupler configured to receive an initial CD optical signal, the grating coupler further configured to separate a first polarization component of the initial CD optical signal from an orthogonal second polarization component of the initial CD optical signal;anda beam coupler configured to:receive from the grating coupler the first polarization component of the initial CD optical signal and the second polarization component of the initial CD optical signal;combine the first polarization component of the initial CD optical signal and the second polarization component of the initial CD optical signal to form the input CD optical signal; andprovide the input CD optical signal to the first MZI of the plurality of MZIs.3.The CDC system of claim 1 further comprising:a first photodetector coupled to the second OOL of a last MZI of the plurality of MZIs;anda second photodetector coupled to the optical combiner.4.The CDC system of claim 2, further comprising:a first photodetector coupled to the second OOL of a last MZI of the plurality of MZIs;a second photodetector configured to detect the combined optical signal;anda third photodetector coupled to the beam coupler of the PDC;wherein:the beam coupler includes at least one coupler phase element with a respective coupler phase;andthe control circuit is further configured to control the respective coupler phase of each of the at least one coupler phase element of the beam coupler to combine the first polarization component of the initial CD optical signal and the second polarization component of the initial CD optical signal.5.The CDC system of claim 1 wherein at least one MZI phase element or at least one OOL phase element includes a phase-change-material (PCM) having a plurality of material phases each having associated thereto respective optical properties, the PCM configured to switch between material phases.6.The CDC system of claim 5 wherein the PCM is configured to switch between material phases in response to heat.7.The CDC system of claim 1 wherein at least one MZI phase element or at least one OOL phase element includes at least one of an electro-optic modulator, a plasma dispersion modulator, and a thermo-optic modulator.8.The CDC system of claim 1 wherein:each MZI phase element is a respective first MZI phase element;each MZI phase is a respective first MZI phase;andeach MZI has a respective second MZI phase element with a second MZI phase, each second MZI phase of the respective second MZI phase element opposing the first MZI phase of the respective first MZI phase element.9.The CDC system of claim 1 wherein the DF-FIR filter is an integrated photonics circuit.10.The CDC system of claim 1 wherein the optical combiner is one of a multimode interference coupler and an accumulator bus waveguide.11.The CDC system of claim 10 wherein the optical combiner is the accumulator bus waveguide and the accumulator bus waveguide includes a series of cascaded directional couplers coupled to an output waveguide.12.The CDC system of claim 1 wherein the control circuit includes an analog-to-digital converter and a digital signal processor.13.The CDC system of claim 11 wherein the digital signal processor is configured to measure a figure of merit.14.The CDC system of claim 13 wherein the control circuit is configured to optimize the figure of merit by controlling the MZI phase of each MZI phase element of each MZI of the plurality of MZIs and the OOL phase of each OOL phase element of each MZI of the plurality of MZIs.15.The CDC system of claim 13 wherein the figure of merit is a bit error rate.16.The CDC system of claim 2 wherein the grating coupler is a two-dimensional grating coupler.17.The CDC system of claim 4 wherein the first photodetector, the second photodetector, and the third photodetector are each a photodiode.18.The CDC system of claim 2 wherein the beam coupler is a self-aligning beam coupler.19.A chromatic dispersion pre-compensation (CDPC) system comprising:an optical signal generator configured to generate a source optical signal;a direct-form finite impulse response (DF-FIR) filter comprising:a plurality of Mach-Zehnder interferometers (MZIs) each having:a respective MZI phase element with an MZI phase;a respective input port;a respective first output optical link (OOL) ;anda respective second OOL having an OOL phase element with an OOL phase, the DF-FIR filter configured to receive the source optical signal from the optical signal generator at a first MZI of the plurality of MZIs;a plurality of optical delay devices each coupling the first OOL of a respective MZI of the plurality of MZIs to the input port of a next respective MZI of the plurality of MZIs;andan optical combiner configured to combine distributary optical signals into a combined optical signal, the distributary optical signals depending from the source optical signal and being received, at the optical combiner, from each of the respective second OOLs;anda control circuit configured to control the MZI phase of each MZI phase element of each MZI of the plurality of MZIs and the OOL phase of each OOL phase element of each MZI of the plurality of MZIs to impart a pre-determined chromatic dispersion to the combined optical signal.20.The CDPC system of claim 19 wherein the optical signal generator comprises a laser.21.The CDPC system of claim 20 wherein:the optical signal generator further comprises an optical modulator; andthe control circuit is further configured to control the optical modulator.22.The CDPC system of claim 21 wherein the laser is configured to modulate light to produce the source optical signal.23.The CDPC system of claim 22 wherein the optical modulator is one of an electro-optic modulator, a plasma dispersion modulator, and an electro-absorption modulator.24.The CPDC system of claim 23 wherein at least one MZI phase element or at least one OOL phase element includes a phase-change-material (PCM) having a plurality of material phases each having associated thereto respective optical properties, the PCM configured to switch between material phases.25.The CDC system of claim 24 wherein the PCM is configured to switch between material phases in response to heat.26.The CPDC system of claim 25 wherein at least one MZI phase element or at least one OOL phase element is one of an electro-optic modulator, a plasma dispersion modulator, and a thermo-optic modulator.27.The CPDC system of claim 26 wherein:each MZI phase element is a respective first MZI phase element;each MZI phase is a respective first MZI phase;andeach MZI has a respective second MZI phase element with a second MZI phase, each second MZI phase of the respective second MZI phase element opposing the first MZI phase of the respective first MZI phase element.28.The CPDC system of claim 19 wherein the DF-FIR filter is an integrated photonics circuit.29.The CPDC system of claim 19 wherein the optical combiner is one of a multimode interference coupler and an accumulator bus waveguide.

Images