专利名称：可调相干探测器结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通信用光电子器件，特别是涉及一种无交叉地实现信号解调、具有更大的容差和工作带宽的可调相干探测器结构。
背景技术：
近年来，100Gbit/s的相干光纤通信系统被广泛研究，集成相干接收机是高速相干通信系统的关键器件之一，它包含了偏振分束器、90度光混合器、平衡探测器及跨阻放大器等基本组件。在这些组件中，90度光混合器按实现形式可分为自由空间型、光纤型和波导型三大类。其中自由空间型和光纤型已有商用化的分离器件，但这些分离器件体积都太大，不适合与平衡探测器等其它组件集成。波导型的光混合器可以在二氧化硅、磷化铟、铌酸锂和聚合物等多种材料上实现，具有体积小、成本低、适合集成等优点，目前正被大量研究。
在波导上实现90度光混合器的结构主要有两种，一种结构如图I所示，它是由四个3dB耦合器组成的光子网络，中间由单模波导连接，其中一个支路上有一个90度相移器。当信号光进入到其中一个输入端口后，经过两次分束，在输出端口变成四路强度相同的信号光，由于这四路光走过的路径不同，所以在输出端口具有不同的相位。同理，本振光进入到另一个输入端口后，也将被分成四路，在输出端口具有相同的强度和不同的相位。这四路本振光和信号光相干，在输出端口会表现出不同的强度分布，即将相位信息转换为强度信息，最后通过平衡探测器进行光电转换，得到解调后的电信号。另一种结构如图2所示，由一个4X4多模相干耦合器和输入输出波导构成。它的工作原理是多模波导的自成像效应，当光进入到任意一个输入端口时，会在输出端口成四个强度相等但相位不同的像。如果信号光和本振光非对称地输入到4X4多模相干耦合器，在输出端将得到解调后的光信号，最后再经平衡探测器转换为电信号。这两种结构有一个共同的缺点，即信号都需要交叉，而交叉会带来串扰和损耗，需要在交叉处进行特别的工艺处理。在2010年，日本的富士通提出了一种如图3所示的90度光混合器新结构。它由一个2X4多模相干I禹合器和一个2X2 I禹合器组成，中间由两根单模波导连接。其中一根为普通波导，另一根为蝶形波导，以形成一定的相位差。这种结构能避免交叉，方便与平衡探测器集成。但也存在如下缺点
I.蝶形波导所引入的相位只能保证对某一个波长非常精确，对其它波长的会有偏差，而90度光混合器本身是一个宽带器件，因此蝶形波导会限制其工作带宽。2.蝶形波导本身会引入一定的损耗。3.蝶形波导比多模相干耦合器的制作容差更小，对工艺要求非常高，不适合大批
量生产。因此如何避免使用蝶形波导，而又能同时实现无交叉的信号解调，为本发明亟待解决的问题
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种可以无交叉地实现信号解调，且具有更大的容差和工作带宽的可调相干探测器结构。为达到上述目的，本发明提供一种可调相干探测器结构，其包括有两根输入波导、用以解调出两对同步信号的一个2X4多模相干耦合器、用以造成局部折射率变化的一个可调电极、用以将同步信号转变为正交信号的一个2X2多模相干耦合器、四根输出波导和两对平衡探测器；其中，该2 X 4多模相干耦合器的输出端与2 X 2多模相干耦合器的输入端直接相连，该可调电极位于2 X 4多模相干耦合器与2 X 2多模相干耦合器连接处的上方；该两根输入波导连接于该2X4多模相干耦合器的输入端，并相对于该输入端中间处对称地分布；其中两根输出波导连接于2X4多模相干I禹合器的输出端,另外两根输出波导连接于2X2多模相干耦合器的输出端；该两对平衡探测器与四根输出波导对准。所述2X4多模相干耦合器基于成对干涉，该两根输入波导分别距离所述2X4多模相干耦合器的输入端的两个缘边1/3处。
所述2X4多模相干耦合器基于一般干涉，该两根输入波导分别距离所述2X4多模相干耦合器的输入端的两个缘边1/4或1/8处。所述可调电极的宽度为所述2X4多模相干耦合器宽度的1/4。所述可调电极为热电极，所述可调电极位于所述2X4多模相干耦合器的边缘。所述可调电极为注入式电极，所述可调电极位于所述2X4多模相干耦合器的中间。所述2X2多模相干耦合器是基于成对干涉或一般干涉。连接于所述2X4多模相干耦合器的两根输出波导与另外两根输出波导长度不一致，用以调节输出光信号的光程，使光信号同时到达两对平衡探测器。本发明的可调相干探测器结构可达到如下技术效果
1.本发明引入了一个可调电极，与蝶形波导的方式相比，可以在更宽的范围内达到最好的输出效果；
2.本发明采用2X4和2X2多模相干耦合器直接级联的方式，中间无蝶形波导，既减小了损耗，又缩短了器件的尺寸；
3.电极的制作工艺成熟，制作容差更大。
图I是现有技术中由3dB耦合器组成的90度光混合器示意 图2是现有技术中由4X4多模相干耦合器实现的90度光混合器示意 图3是现有技术中无交叉90度光混合器示意 图4是本发明可调相干探测器结构的结构示意 图5是本发明中当只有一个端口由光输入时，输出光电流随电极电流的变化关系图； 图6是本发明中当信号光与本振光同时输入时,输出光电流随信号相位变化情况；
图7是本发明中当输入信号光的相位分别为-π/2，0，π/2和π时，本发明中的光场分布情况。
具体实施方式
为便于对本发明的结构及达到的效果有进一步的了解，现结合附图并举较佳实施例详细说明如下。 如图4所示，本发明可调相干探测器结构包括有两根输入波导I、一个2 X 4多模相干耦合器2、一个可调电极3、一个2X2多模相干耦合器4、四根输出波导5和两对平衡探测器6。上述各兀件的位置关系是该2X4多模相干稱合器2的输出端与2X2多模相干耦合器4输入端直接相连，可调电极3位于2X4多模相干耦合器2与2X2多模相干耦合器4连接处的上方；所述的两根输入波导I连接于2X4多模相干耦合器2的输入端，并相对于该输入端中间处对称地分布；所述输出波导5中的两根连接于2X4多模相干稱合器2的输出端，另外两根输出波导5连接于2X2多模相干耦合器4的输出端；所述两对平衡探测器6与四根输出波导5对准。本发明中的输入波导I为单模波导，2X4多模相干耦合器2的工作原理为成对干涉或一般干涉，其作用是解调出两对1(包括I+与I-)信号(同步信号(in-phase signal))。当2X4多模相干耦合器2基于成对干涉时，两根输入波导I分别距离2X4多模相干耦合器2的输入端的两个缘边1/3处；当2X4多模相干耦合器2基于一般干涉时，两根输入波 导I分别距离2X4多模相干耦合器2的输入端的两个缘边1/4或1/8处。本发明中的可调电极3的宽度为2X4多模相干耦合器2宽度的1/4，该可调电极3的种类可为热电极或电注入式电极，其作用是造成局部折射率变化，当可调电极3为热电极时，其位置位于2 X 4多模相干耦合器2的边缘；当可调电极3为注入式电极时，其位置位于2X4多模相干耦合器2的中间。本发明中的2X2多模相干耦合器4的工作原理为成对干涉或一般干涉，其作用是使输入到2X2多模相干稱合器4中的I信号相位发生偏转,变为Q (包括Q+与Q-)信号(正交信号(quadratue))。所述输出波导5为四根单模波导，其连接2 X 4多模相干耦合器2的两根与另外两根长度不一致，其作用是调节输出光信号的光程，使光信号同时到达两对平衡探测器6。在本发明实施实例中，以2X4多模相干耦合器2和2X2多模相干耦合器4都是基于成对干涉，可调电极3为热电极为例，假设信号光和本振光具有相同的偏振态，进入到输入波导I后的光场可分别表不为
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Ps、WS, fs和PL、wL、fL分别为信号光和本振光的功率，角频率和相位。2X4多模相干耦合器2、2X2多模相干耦合器4和可调电极3可分别用传输矩阵表示为I - ,1 ι, I
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其中A24和A22为2X4多模相干賴合器2、2X2多模相干賴合器4的分光系数，Q=^oaILn/λ为热电极引入的相位，I为电极中的电流，Lh为电极的长度，a为折射率随温度变化相关的常数。假设2X4多模相干耦合器2和2X2多模相干耦合器4均具有理想的分光比，且耦合器无附件损耗，探测器的响应度为R，则四个探测器输出的光电流为
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其中 J'=<7+3/ /4，Ow=ws-wl, V>f(t) =fs (t) ~fL (t) o可以看出式(6)、式(7)表不一对I信号,式(8)、式(9)表不一对Q信号。比较I和Q信号，式(8)、式(9)式多一个因子Λ若sinj'=l，式(8)、式(9)将退化成与式(6)、式(7)类似的形式，此时光混合器处于最佳工作状态。若sinj不等于1，Q响应会偏离理想值。因此可调电极3的作用就是调节相移q，使光混合器工作在最佳工作状态。当只有一个输入端口有光时，光混合器的作用相当于一个分束器。图5为输出光电流随电极电流的变化关系图，虚线为式(6)—(9)理论计算结果，实线为仿真结果，二者符合较好。当可调电极3不工作时，Q信号的两个输出端口存在很大的不平衡，随着电极电流的增加，不平衡度逐渐减小。当Q信号的两个输出端口光电流相等时，即达到最佳工作电流。若电极电流继续增加，不平衡度会再次增加。当信号光和本振光同时输入时，即可将信号光中的相位信息转换成光电流的强度 信息。图6为输出光电流随信号相位变化情况，虚线为理论计算结果，实线为仿真结果，两者基本重合。图7是当输入信号光的相位分别为_π/2，0，π/2和π时，本发明中的光场分布情况。从以上两图可以看出，在当可调电极3工作在最佳状态时，本发明能正常，高效地工作。以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
权利要求
1.一种可调相干探测器结构，其特征在于，其包括有两根输入波导、用以解调出两对同步信号的一个2X4多模相干耦合器、用以造成局部折射率变化的一个可调电极、用以将同步信号转变为正交信号的一个2X2多模相干耦合器、四根输出波导和两对平衡探测器；其中，该2 X 4多模相干稱合器的输出端与2X2多模相干稱合器的输入端直接相连，该可调电极位于2X4多模相干稱合器与2X2多模相干稱合器连接处的上方；该两根输入波导连接于该2X4多模相干稱合器的输入端,并相对于该输入端中间处对称地分布；其中两根输出波导连接于2X4多模相干I禹合器的输出端,另外两根输出波导连接于2X2多模相干I禹合器的输出端；该两对平衡探测器与四根输出波导对准。
2.如权利要求I所述的可调相干探测器结构，其特征在于，所述2X4多模相干耦合器基于成对干涉，该两根输入波导分别距离所述2X4多模相干耦合器的输入端的两个缘边1/3 处。
3.如权利要求I所述的可调相干探测器结构，其特征在于，所述2X4多模相干耦合器基于一般干涉，该两根输入波导分别距离所述2X4多模相干耦合器的输入端的两个缘边1/4 或 1/8 处。
4.如权利要求I所述的可调相干探测器结构，其特征在于，所述可调电极的宽度为所述2X4多模相干耦合器宽度的1/4。
5.如权利要求4所述的可调相干探测器结构，其特征在于，所述可调电极为热电极，所述可调电极位于所述2X4多模相干耦合器的边缘。
6.如权利要求4所述的可调相干探测器结构，其特征在于，所述可调电极为注入式电极，所述可调电极位于所述2 X 4多模相干耦合器的中间。
7.如权利要求I所述的可调相干探测器结构，其特征在于，所述2X2多模相干耦合器是基于成对干涉或一般干涉。
8.如权利要求I所述的可调相干探测器结构，其特征在于，连接于所述2X4多模相干耦合器的两根输出波导与另外两根输出波导长度不一致，用以调节输出光信号的光程，使光信号同时到达两对平衡探测器。
全文摘要
本发明公开了一种可调相干探测器结构，其包括有连接于2×4多模相干耦合器的两根输入波导、用以解调出两对同步信号的一个2×4多模相干耦合器、用以造成局部折射率变化的一个可调电极、用以将同步信号转变为正交信号的一个2×2多模相干耦合器、四根输出波导和两对平衡探测器；该2×4多模相干耦合器的输出端与2×2多模相干耦合器的输入端直接相连，该可调电极位于两多模相干耦合器连接处的上方；两根输出波导连接于2×4多模相干耦合器的输出端，另外两根输出波导连接于2×2多模相干耦合器的输出端；该两对平衡探测器与四根输出波导对准。本发明的可调相干探测器结构可以无交叉地实现信号解调，且具有更大的容差和工作带宽。
文档编号H04B10/61GK102904648SQ20121035131
公开日2013年1月30日 申请日期2012年9月20日 优先权日2012年9月20日
发明者刘卫华, 米全林, 余向红 申请人:武汉电信器件有限公司