一种偏振态无差异的光学混频器的制造方法

文档序号:10653007阅读:743来源:国知局
一种偏振态无差异的光学混频器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种偏振无差异的90。光学混频器,由级联的偏振分束旋转器和多模干涉耦合器(MMI)构成。偏振分束旋转器由相互耦合的上下两个模式转换模块组成使输入的横电模(TE)与横磁模(TM)均转换成横电模(TE),从而使得无论输入何种模式,都能对混频器参数进行精确的优化,在集成的条件下保持MMI中多模成像位置均一致,实现偏振无差异的光学混频。与传统的混频器相比较,本发明弥补了由于不同模式成像位置不同对MMI所造成的影响,避免了集成条件下对参数进行折中处理而带来的不精确,减小了混频的损耗和误差。该结构的光学混频器具有结构紧凑,性能优良的特点,适用于相干光接收系统。
【专利说明】
-种偏振态无差异的光学混频器
技术领域
[0001] 本发明设及光学混频器技术,尤其设及一种能够对不同偏振光进行无差异混频的 装置。
【背景技术】
[0002] 相干光通信系统的发展大大提高了光通信系统的传输速率、传输容量和传输距 离,其成功发展的关键在于相干接收技术的应用。相干接收技术采用零差或外差接收方式 处理光信号,而90°光学混频器是运两种方式必不可少的核屯、组件。在光学混频器中,入射 光与本地振荡源的输出光在满足波前匹配和偏振匹配的条件下进行光学混频,从而得到携 带幅度、相位等信息的差频信号。差频信号在数字信号处理模块通过不同算法进行信息提 取。光学混频器的性能,尤其是光学混频器的混频效率决定了相干接收机的探测灵敏度,从 而影响整个相干光通信系统的性能。
[0003] 目前实现光学混频器的方式主要有=种:第一种方式是采用四个3地禪合器和一 个90°相位延迟器进行混频,其中3地禪合器通常由一个2X2的多模干设禪合器(Multimode Interference :MMI)构成;第二种方式是采用一个4 X 4多模干设禪合器完成混频;第=种方 式是采用一个3地禪合器和两个偏振分光器。在集成光子器件中,前两种实现方式是基于光 波导型MMI来实现。由于光波导器件一般均具有双折射性,当输入光的偏振态不同时,MMI的 成像位置是有差异的。因此前两种实现方式的传输特性均表现出对输入光偏振态的依赖 性,输入光在不同偏振态下混频性能存在明显差异。而第=种方式的实现则需要输入光具 备特定的偏振态,相比于其他方式,第=种实现方式需要额外的偏振控制,因而在实际应用 中也受到了更多的限制,商业上不易实现。
[0004] 也就是说,目前,在当前的相干光通信系统中,不同偏振态光束的混频只能采用两 个独立进行优化设计的光学混频器来实现。而且就目前最实用的方式,即前面所述的第二 种方式而言,仍然需要对两组光学偏振态的器件参数分别进行优化。无形中增加了混频器 所需的排板面积,限制了相干光通信系统的集成,同时限制了系统性能的提升。因此,在单 一光学器件中实现对不同偏振态光束的混频,成为相干接收技术中亟待解决的关键问题。
[0005] 如果必须采用本领域现有的混频器同时对TE模和TM模进行混频就只能同时对两 个器件进行单独的优化。如果遇到必须进行集成的情景,就只能W混频性能为代价,对两个 器件的优化参数进行折中处理。

【发明内容】

[0006] 为实现上述目的,提出一种光学混频器,包括级联的偏振分束旋转器和多模干设 器,其特征在于,所述的偏振分束旋转器由相互禪合的上下两个模式转换模块组成,偏振分 束旋转器的输入端为第一模式转化模块的输入直波导,第一模式转化模块包括顺序串联的 输入直波导、第一渐变波导区和第一输出端口;偏振分束旋转器的第二模式转化模块包括 顺序串联的禪合波导、第二渐变波导区和第二输出端口;第一输出端口和第二输出端口同 时连接多模干设器中间的两个输入端,或者同时连接多模干设禪合器外侧的两个输入端; 禪合波导与第一渐变波导区相位匹配。
[0007]其中,所述的第一模式转化模块中,第一渐变波导区从连接输入直波导的一端到 连接第一输出端口的一端依次分为转化输入端、禪合部和转化输出端=个部分:转化输入 端的宽度由输入直波导的宽度逐渐拓宽到与禪合部分相同宽度,禪合部分的宽度满足与禪 合波导相位匹配的条件,转化输出端宽度由与禪合部分相同的宽度逐渐缩窄第一输出端口 的宽度。
[000引其中,所述的偏振分束旋转器和多模干设器均设置在二氧化娃衬底上,由娃材料 做忍层,忍层的外部由氮化娃包裹形成包层。上述的长度和宽度均为忍层的长度和宽度。
[0009] MMI中自成像效应可W由公式(1)来描述,多模波导在传播方向上Z处的光场可W 表示成所有导模场的叠加。
[0010]
(1)
[0011] 其中y为垂直传播方向的位置,Z为传播方向的位置,W表示光场分布,Cv表示V阶 模的模式激励因子由公式(2)表示,Pv表示V阶模的传播常数,且
[0012]
仿
[0013] 匪I输出端自成像的相位关系由公式(3)计算得到:
[0014]
巧 [001引其中m表示MMI输入端的序号,n表示MMI输出端的序号。
[0016] MMI设计中用到的拍长及成像位置由基模等效宽度决定,基模等效宽度根据公式 (4)计算得到,其中We为基模等效宽度,W为MMI的宽度,如为工作波长,nc为波导包层折射率, 化,为波导忍层折射率,IE光入射时日=0,TM光入射时日=1。
[0017]
斜)
[0018] 通过基模等效宽度得到MMI的拍长公式(5化通过拍长最终得到成像位置公式 (6)Lmmi,当在输出端成四重像时,N=4.
[0019] (5)
[0020] (句
[0021] 有上述理论可知基模等效宽度决定了 MMI的成像位置,而当波导的结构及材料确 定后唯一影响成像位置的因素就是多模干设禪合器输入光的偏振态。从方程(4)中可知TE 偏振态和TM偏振态的光其基模等效宽度是有差别的。通常情况下混频器在设计时会综合考 虑TE偏振态和TM偏振态的光,将成像位置取两者的折中值,而运个折中值无论对于TE还是 TM偏振态的光其结果均是不准确的。而当多模干设禪合的输入光均为TE偏振态时,其基模 等效宽度为唯一的确定值。本项发明专利则在光进入多模干设禪合器前将其偏振态均转化 为TE,进而不用取近似值,使多模干设禪合器的成像准确,最终在单一器件中实现了偏振无 差异的混频器。
[0022] 有益效果:
[0023] (1)本发明通过改变波导忍层的宽度(即逐渐增加渐变波导区的宽度)在第一渐变 波导区中将入射光逐渐转化为其他模式,然后通过禪合波导与第一渐变波导区之间的相位 匹配来完成两路模式转化模块的相互禪合。通过禪合的方式分束出转化后的模式,将转化 为所需偏振态的输入光通过分束的方法与其他模式的入射光相分离,将分束后得到所需偏 振态的输入光传输至后面的多模干设禪合器。由于预先将输入光转化为适合多模干设禪合 器处理的入射光模式,本发明将实现混频所需的光学混频器的个数削减至唯一的一个,在 设计时仅需对一个光学偏振态的器件参数进行优化。在保证混频效果的同时简化了版图设 计。本发明由于结构简单,只需对一个光学偏振态的器件参数进行优化,因而可W缩短整个 的设计、制作周期。而且节省版图面积,便于器件集成。
[0024] (2)同时,由于本发明能够通过禪合波导将转化为TE模的入射光分束至第二渐变 波导区进行处理,结合后端级联的MMI,实现了在一个器件内同时针对TE模和TM模的入射光 进行混频。并且,本发明在混频时只需针对转化后输入MMI的TE模进行参数设置。也就是说, 本发明可W在两种模式的入射光条件下对系统参数进行精确的优化,避免了现有技术W集 成方式处理不同模式入射光时,需要对优化参数进行折中处理而造成的偏差,进而解决由 此所造成的混频器输出端成像位置不准确,混频效果差的缺陷。本发明相对于现有的混频 器而言在进行集成的同时可W保证在输出端准确成像,提高了混频器的传输效率、减小了 不均衡性W及相位误差,提高了混频器的传输性能进而提高了相干接收机的探测灵敏度。
【附图说明】
[0025] 图1偏振分束旋转器结构俯视图;
[0026] 图2本发明所述混频器结构俯视图;
[0027] 图3波导横截面;
[00%]图4波导有效折射率随忍层2宽度的改变;
[0029] 图5 TEO模式输入PSR光场分布俯视图;
[0030] 图6 TEO模式输入PSR光场输出横截面俯视图;
[0031] 图7 TMO模式输入PSR光场分布俯视图;
[0032] 图8 TMO模式输入PSR光场输出横截面俯视图;
[0033] 图9在本地信号光由波导10输入,模式转换分束器的波导5连接波导7,模式转换分 束器的波导6连接波导9时,多模干设器的俯视图;
[0034] 图10在本地信号光由波导8输入,模式转换分束器的波导5连接波导7,模式转换分 束器的波导6连接波导10时,多模干设器的俯视图;
[0035] 图11在本地信号光由波导9输入,模式转换分束器的波导5连接波导7,模式转换分 束器的波导6连接波导10时,多模干设器的俯视图;
[0036] 图12在本地信号光由波导7输入,模式转换分束器的波导5连接波导8,模式转换分 束器的波导6连接波导9时,多模干设器的俯视图;
[0037] 图13是通过传输矩阵法得到的偏振无差异混频器的计算结果。
【具体实施方式】:
[0038] W下结合附图对本发明的优选实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实 施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
[0039] 本发明所提供的偏振无差异混频器,先将输入光首先通过偏振分束旋转器(PSR, 化Iarization Splitter Rotator),将TE及TM模式的输入光在PSR的不同输出端分别输出 且不同输出端均WTE模式输出,再将两路TE模式输出信号同时输入多模干设器(Multimode Interference:!!];),实现对不同偏振态无差异的光学混频。
[0040] 实施例1
[0041] 针对图2所述偏振无差异的混频器在实现模式转化时,根据图4可知,波导宽度对 TEO模式的入射光不会产生模式转换。而当入射光为TMO模式时,当波导的忍层宽度合适,某 些特定偏振模式(如图中的TMO和TEl模式)会因为模式匹配(即模式的等效折射率相同)而, 使其进行模式转换。我们利用该特性,将渐变忍层波导宽度调整至0.Sum左右。此时输入端 的TMO模式的有效折射率与TEl模式的有效折射率发生重叠,进而使TMO模式转化为TEl模 式。再通过禪合提取TEl模式的信号,进一步调整为TEO模式同步输出。
[0042] 本实施例的整体结构参照图1和图2。图1所示偏振分束旋转器由相互禪合的两个 模式转换模块组成,偏振分束旋转器的输入端为第一模式转化模块的输入直波导1,第一模 式转化模块包括顺序串联的输入直波导1、第一渐变波导区2和第一输出端口 6;偏振分束旋 转器的第二模式转化模块包括顺序串联的禪合波导3、第二渐变波导区4和第二输出端口 5; 第一输出端口 6和第二输出端口 5同时连接多模干设禪合器中间的两个输入端8、9;禪合波 导3与第一渐变波导区2相位匹配(即图中虚线框部分,通过相位匹配实现禪合)。
[0043] 其中,第一模式转化模块中,第一渐变波导区2从连接输入直波导1的一端到连接 第一输出端口 6的一端依次分为转化输入端、禪合部和转化输出端=个部分:转化输入端的 宽度由输入直波导1的宽度逐渐拓宽至与禪合部分相同宽度,禪合部分的宽度满足与禪合 波导3相位匹配的条件,转化输出端宽度由与禪合部分相同的宽度逐渐缩窄第一输出端口 6 的宽度。
[0044] 图1中第二输出端口5如图2所示,连接多模干设禪合器的第二输入端8,图1中第一 输出端口 6如图2所示,连接多模干设禪合器的第一输入端9。
[0045] 其中,图1所示的偏振分束旋转器(PSR)利用模式混合的特性实现偏振分束与转换 功能。保证TEO、TMO输入时,不同端口输出的都是TEO模式。PSR结构如图1右侧所示,当输入 直波导1只有TEO模式输入时,在第一渐变波导区2中波导宽度的变化不会引起模式混合,因 而禪合波导3中因不满足相位匹配条件而没有光禪合进波导3。因此入射的TEO模式仍然沿 着第一模式转化模块传输,最终在第一输出端口 6输出TEO模式。当输入直波导1只有TMO模 式输入时,在第一渐变波导区2中,由于波导宽度变化引起模式混合,TMO模式的入射光在到 达禪合波导3附近时转变成TEl模式。由于此时模式在禪合波导3与第一渐变波导区2中间的 禪合部之间满足相位匹配条件,即模式的等效折射率相同。此时TEl入射光会通过禪合波导 3输入到第二渐变波导区4当中。第二渐变波导区4进一步通过改变波导宽度的方式,使得原 先输入的TEl模式转化成TEO模式,最终在在第二输出端口 5输出TEO模式。整个过程通过上 下两个模式转换模块最终实现了 TEO、TMO分别输入时在不同端口输出TEO模式。
[0046] 为了使得第二输出端口5,第一输出端口6输出都为基模,且保持相同,因此本专利 将输入直波导1、第一输出端口 5,第二输出端口 6 =者的波导宽度设置为相同的单模波导尺 寸,如图1所示,此结构具有结构简单,长度小,制作工艺简单的优点。
[0047] 图2右侧所示,是多模干设禪合器的结构,包括输入端的4个单模波导7、8、9、10,多 模波导11,4个输出端的单模波导12、13、14、15。偏振分束旋转器的第二输出端口 5与多模干 设禪合器的第二输入端8连接,偏振分束旋转器的第一输出端口 6与多模干设禪合器的第一 输入端9连接,本地信号光由多模干设禪合器的本地输入端7输入。由于模式转换分束器的 两个输出端输出的光信号均为TE偏振态的光,而此时的MMI是针对输入光偏振态为TE而设 计的,所W入射光进入MMI后能够在输出端准确成像,进而实现偏振无差异的混频器。
[004引实施例2
[0049] 本实施例提出了一种具体的混频器结构。级联的偏振分束旋转器(PSR)与多模干 设禪合器(MMI)中所使用的波导结构相同。其中PSR与匪I的连接方式共有4种,如图9、10、 11、12所示,与第二输出端口 5、第一输出端口 6相连接的输入波导分别是第二输入端8和第 一输入端9。本地信号光从波导7或10输入;与波导5、6相连接的输入波导也可W是7、10,对 应本地信号光在波导8或10输入。对于用单个MMI来实现混频而言,运4种端口组合均可实现 混合,在运里把可W实现的方式一一列举。权利要求中,多模干设禪合器中间的两个输入端 就是指波导8、9所连接的输入端,多模干设禪合器外侧的两个输入端就是指波导7、10所连 接的输入端。
[0050] 本实施例中采用的纳米级SOI波导结构如图3所示,衬底18为二氧化娃(Si02)其折 射率N_Si02 = 1.445,忍层17为娃(Si),其折射率N_Si = 3.445,包层16为氮化娃(Si3M),其 折射率N_Si3M = 2.0。当忍层17宽度从0.3um到1.5皿改变时,波导中将会产生多个模式,其 有效折射率随波导忍层17宽度的改变如图4所示。当忍层17波导宽度合适时,某些特定偏振 模式因为模式混合将很难区分。利用该特性能够实现模式的转换,即当忍层波导宽度在 0. Sum左右时,输入TMO模式将转变为TEl模式。本实施例中第一渐变波导区2从连接输入直 波导1的一端到连接第一输出端口 6的一端依次分为转化输入端、禪合部和转化输出端=个 部分:转化输入端的宽度由0.69WI1拓宽到0.9WI1,禪合部分的宽度为0.9皿,长度为7WI1,转化 输出端宽度由0.9皿缩窄至0.69皿,整个第一渐变波导区2的长度为44皿。禪合波导3宽度为 0.405皿,长度为7皿,与第一渐变波导区中的禪合部相位匹配。
[0051 ]模式转换分束器输出的TEo模式光进入MMI中,利用MMI的自成像效应使TEO模式的 输入光与本地信号光在MMI形成多模干设,在输出端形成四重像并且输出端的四重像(即1 分4成像)之间有固有的90°相位关系,进而实现偏振无差异的混频器。设计得到的MMI的长 度为81皿,宽度为6.45皿。
[0052]本实施例所述的MMI由单模波导和多模波导构成如图2所示的结构。W图9为例分 析多模干设禪合器具体的设计结构(本地信号LO从10端口输入,TE信号从8、9端口输入),由 方程(7、8)可得到输出端的相位关系,当输入端5输入TE偏振态的光时,入射光由波导8进入 多模干设禪合器,此时本地信号光由波导7输入到多模干设禪合器,其四个输出端固有的 90°相位差如公式(7)所示;当输入端6输入由TM偏振态的光转化成为的TE光时,入射光由波 导9进入多模干设禪合器,此时本地信号光由波导7输入到多模干设禪合器,由方程(8)可知 其四个输出端固有的90°相位差。
[0化3] (7)
[0化4] (8)
[0化5] 整体结构的传输矩阵如公式(9),其中君S表不输入光信号、忘I..。表不本地光信号、 表示TE模式的单位向量、表示TM模式的单位向量。数学计算结果如图13,从计算结果 中可W看到巧结构连现下偏振无差择的湿硫器。
[0化6]
(9)
[0057]从图13中可W看出,无论是TE光输入还是TM光输入,偏振无差异混频器的4个输出 端的信号光均能实现在输入光的相位变化一个完整周期内,其传输效率随相位成完整周期 的正弦关系变化,运验证了输出信号的混频特性。也就是说,TE光输入时,输出端2、3、4输出 的信号光与输出端1输出的信号光之间的相位差分别为270°、90°、180° ,TM光输入时,输出 端2、3、4输出的信号光与输出端1输出的信号光之间的相位差分别为90°、270°、180°,运验 证了混频器输出信号的相位特性。由此验证了传输矩阵的正确性,同时证明了该结构实现 了偏振无差异的光学混频器,且该结构与现有混频器相对比改善了混频器的偏振依赖性。 女日文南犬('Wan邑 J,Kroh !,Richter T,et al .Hybrid-integrated polarization diverse coherent receiver based on polymer PLC[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2012,24(19): 1718-1721 /'中提到的结构,其对于TE模式而言最大不均衡性为IdB,对于TM 模式而言最大不均衡性为2.5地,而本发明提出的结构无论对于TE模式还是TM模式,其最大 不均衡性均为1地,该结构大大提高了混频器的性能。
[005引本发明专利,通过在多模干设禪合器前级联模式转换分束器的方式实现了偏振无 差异的光学混频功能,避免了因 MMI对TE和TM输入光成像位置不同而导致的偏振态依赖现 象,降低了光混频器对不同偏振态输入光传输及混频的不均衡性,具有结构紧凑,性能优良 的特点,适用于相干光接收系统。
[0059]本领域普通技术人员可W理解:W上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用 于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员 来说,其依然可W对前述各实施例记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进 行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种光学混频器,包括级联的偏振分束旋转器和多模干涉耦合器,其特征在于,所述 的偏振分束旋转器由相互親合的两个模式转换模块组成,偏振分束旋转器的输入端为第一 模式转化模块的输入直波导(1 ),第一模式转化模块包括顺序串联的输入直波导(1 )、第一 渐变波导区(2)和第一输出端口( 6);偏振分束旋转器的第二模式转化模块包括顺序串联的 耦合波导(3)、第二渐变波导区(4)和第二输出端口(5);第一输出端口(6)和第二输出端口 (5)同时连接多模干涉耦合器中间的两个输入端,耦合波导(3)与第一渐变波导区(2)相位 匹配。2. -种光学混频器,包括级联的偏振分束旋转器和多模干涉耦合器,其特征在于,所述 的偏振分束旋转器由相互親合的两个模式转换模块组成,偏振分束旋转器的输入端为第一 模式转化模块的输入直波导(1 ),第一模式转化模块包括顺序串联的输入直波导(1 )、第一 渐变波导区(2)和第一输出端口( 6);偏振分束旋转器的第二模式转化模块包括顺序串联的 耦合波导(3)、第二渐变波导区(4)和第二输出端口(5);第一输出端口(6)和第二输出端口 (5)同时连接多模干涉耦合器中间的两个输入端,耦合波导(3)与第一渐变波导区(2)相位 匹配。3. 如权利要求1或2所述的光学混频器,其特征在于,所述的第一模式转化模块中,第一 渐变波导区(2)从连接输入直波导(1)的一端到连接第一输出端口(6)的一端依次分为转化 输入端、耦合部和转化输出端三个部分:转化输入端的宽度由输入直波导(1)的宽度逐渐拓 宽至与耦合部分相同宽度,耦合部分的宽度满足与耦合波导(3)相位匹配的条件,转化输出 端宽度由与耦合部分相同的宽度逐渐缩窄第一输出端口(6)的宽度。4. 如权利要求3所述的光学混频器,其特征在于,所述的偏振分束旋转器和多模干涉耦 合器均设置在二氧化硅衬底上,由硅材料做芯层,芯层的外部由氮化硅包裹形成包层。
【文档编号】G02B6/293GK106019483SQ201610615377
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月29日
【发明人】王瑾, 翟羽萌, 孙小菡
【申请人】东南大学
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