具有偏振不敏感特性的90°相移光混合器及其设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体、光电集成和相干接收系统技术领域，特别是涉及一种具有偏振不敏感特性的90°相移光混合器及其设计方法。
【背景技术】
[0002]随着个人计算机和国际互联网的普及，各种数据业务以及宽带技术的飞速发展，整个社会对信息的需求量呈现出爆炸式增长。当今社会的高度信息化，对通信系统特别是骨干通信系统提出了很高的要求，表现为信息容量大、传输距离长、通信质量高和系统可靠性好等特性。光通信网络正朝着规模不断扩展、容量快速增长、业务日益丰富、应用愈加灵活、需求日趋多样的方向快速发展。目前我国在城域网之间和骨干网之间的网络上是以1Gbps 的 DWDM (Dense Wavelength Divis1n Multiplexing，密集型光波复用)系统的传输技术为主，逐渐向40Gbps的传输速度发展。这已经不能满足人们对高速通信系统的迫切需求，下一代的10Gbps通信技术成了人们关注和研宄的热点之一。
[0003]QPSK (Quadrature Phase Shift Keying，正交相移键控)相干调制技术相比传统的00K(0n-0ff Keying，二进制振幅键控)直接调制可以将调制效率提高100 %，而其发送的每个符号都能携带2bit信息，这样就降低了系统的符号速率；而采用了偏振复用技术的偏振复用正交相移键控，如 DP-QPSK(Dual Polarizat1n Quadrature Phase ShiftKeying，双极化四相移键控)传输系统，可以将光谱效率提高两倍、系统的符号速率又降低100%。即采用DP-QPSK调制格式，100Gbit/s的通信速率可以在25G的bit率下实现，这样既可以提高色散容限，又能降低对电子速率的要求。基于未来光网络向更高速率的发展考虑，基于采用偏振复用发射和相干检测接收的DP-QPSK技术成了人们关注和研宄的热点之
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[0004]与传统的直接接收系统相比，相干接收系统不仅具有灵敏度高、选择性好等传统优势，还具有一些新的特点，主要表现在以下两个方面:一方面是能与数字信号处理技术相结合，降低系统成本，增加可靠性，使商用化成为可能；另一方面是能与新型调制技术相结合，降低电子速率的要求，提高色散容限。DP-QPSK相干光通信解调技术，即在本地振荡与载波信号进行相干混合后对基带信号进行解调，它在业内被认为是优秀的下一代10Gbps光传输技术的最佳通信方式。
[0005]相干接收机是相干通信系统中的关键器件。一个完整的DP-QPSK相干接收机主要由三部分构成:第一部分是偏振分离装置，由两个偏振分束器(Polarizat1n BeamSplitter,PBS)组成，其作用是将信号光和本振光的两个不同的偏振态分离，以便分开进行处理；第二部分是信号解调装置，由两个90°相移光混合器组成，其作用是将信号光和本振光进行混频，使信号光中的相位信息转换为强度信息；第三部分是平衡接收装置，由四对平衡光探测器和对应的跨阻放大器组成，其作用是将光强信息进行光电转换和放大，最后以差分形式输出，以便进入到电子器件中进行后期信号处理。在三大组件中，90°相移光混合器是相干接收机的关键部分，其解决方案最多。而采用何种方案实现90°光混合器，对前端的偏振分离装置和后端的平衡接收装置都会产生很大影响。
[0006]波导型90°相移光混合器是目前的研宄热点，可以在铌酸锂(LiNb03)、绝缘体上硅(SOI)、聚合物、硅基二氧化硅(Si)、磷化铟(InP)等多种衬底材料上制作。波导型90°相移光混合器的体积较小，方便与平衡接收机集成，能够满足相干接收机对空间的严格要求。而且波导型的90°相移光混合器都是采用光刻的技术制作，其尺寸能够精确控制，一致性很好，具有广阔的实用前景。
[0007]随着半导体技术的发展，Si和S12的高折射率差(2.0)为实现纳米光波导和超小尺度的集成光波导器件提供了可能性。在光通信、光互连、光传感领域具有巨大的应用前景。并且Si纳米线波导的制造工艺与现代电子工业中使用的CMOS工艺可完全兼容，为低成本、大批量的生产提供了可能性。然而由于高的折射率对比，造成了纳米光波导和超小尺度的集成光波导器件具有大的光双折射和偏振相关特性。基于4X4MMI (MultimodeInterference,多模干涉)親合器的90°相移光混合器具有较大的多模区尺寸，其偏振相关性更为严重。因此，传统相干接收机所存在的最大缺点就是相干接收时的偏振敏感，这个缺点可以在数字相干接收机内的数字域内引入偏振多样性来弥补，但这影响了系统性能，增加了系统设计的复杂度。因此，如何减小相干接收机的偏振敏感特性，提高其综合性能，降低设计技术难度，已成为本领域技术人员需要解决的技术难题。
【发明内容】
[0008]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有偏振不敏感特性的90°相移光混合器及其设计方法，用于解决现有技术中90°相移光混合器偏振相关性严重，从而导致传统相干接收机相干接收时偏振敏感的问题，以及为了弥补偏振敏感而造成的数字相干接收机系统性能受到影响、系统设计复杂度增加的问题。
[0009]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种具有偏振不敏感特性的90°相移光混合器的设计方法，其中，所述具有偏振不敏感特性的90°相移光混合器至少包括多模干涉耦合器，其中，所述具有偏振不敏感特性的90°相移光混合器的设计方法至少包括:将所述多模干涉耦合器中的多模区设计为矩形波导，确定所述多模区的尺寸，其方法如下:
[0010]分析计算所述多模区各阶模的有效折射率，以得到横电波TE模式和横磁波TM模式的拍长差及其与所述多模区的宽度、厚度的对应关系图；
[0011]预先选定所述多模区所需的厚度，在所述横电波TE模式和横磁波TM模式的拍长差为零的条件下，根据所述对应关系图确定所述多模区所需的宽度和长度，以使所述多模干涉耦合器工作时能够偏振不敏感。
[0012]优选地，分析并计算所述多模区各阶模的有效折射率，以得到横电波TE模式和横磁波TM模式的拍长差及其与所述多模区的宽度、厚度的对应关系图，具体步骤如下:
[0013]分别分析并计算横电波TE模式和横磁波TM模式下的所述多模区中两个最低阶模的有效折射率；
[0014]根据所述横电波TE模式下的所述多模区中的两个最低阶模的有效折射率，计算所述横电波TE模式下的两个最低阶模传播常数，同时，根据所述横磁波TM模式下的所述多模区中的两个最低阶模的有效折射率，计算所述横磁波TM模式下的两个最低阶模传播常数；
[0015]根据所述横电波TE模式下的两个最低阶模传播常数计算所述横电波TE模式的拍长，同时，根据所述横磁波TM模式下的两个最低阶模传播常数计算所述横磁波TM模式的拍长；其中，所述横电波TE模式的拍长与所述横磁波TM模式的拍长相同或不同；
[0016]计算所述横电波TE模式和横磁波TM模式的拍长差；
[0017]为所述多模区预设多种厚度和宽度，多次重复上述步骤，统计所述多模区在不同厚度和宽度时对应的所述横电波TE模式和横磁波TM模式的拍长差，以坐标图的形式形成具有多条曲线的对应关系图。
[0018]优选地，两个模式下的两个最低阶模传播常数分别为零阶模传播常数和一阶模传播常数；
[0019]所述横电波TE模式下的两个最低阶模传播常数、所述横磁波TM模式下的两个最低阶模传播常数、所述横电波TE模式的拍长、所述横磁波TM模式的拍长以及所述横电波TE模式和横磁波TM模式的拍长差分别根据下列公式(a)?(C)计算:
[0020]β = k0*Neff = 2 π >l<Neff/ λ (a)
[0021]L11= π / (β o_^i) (b)
[0022]Δ L J1 — L It(TE) _Lu(tm) (c)
[0023]其中，1^为拍长，β为传播常数，β。为零阶模传播常数，β i为一阶模传播常数，kQ为波矢，Neff为有效折射率，λ为波长，L π(ΤΕ)为横电波TE模式的拍长，L π(ΤΜ)为横磁波TM模式的拍长，Δ Ln为横电波TE模式和横磁波TM模式的拍长差。
[0024]优选地，预先选定所述多模区所需的厚度，在所述横电波TE模式和横磁波TM模式的拍长差为零的条件下，根据所述对应关系图确定所述多模区所需的宽度和长度，以使所述多模干涉親合器工作时能够偏振不敏感，具体步骤如下: