一种可实现无差异混频的相干光接收机的制作方法

本发明涉及相干光接收技术及偏振解复用技术，尤其涉及一种集成了偏振旋转分束器及光混频器的结构。该结构通过将偏振复用光信号解复用并转换为同一偏振态的两路光束，实现了能对偏振复用光信号进行无差异混频的相干光接收机。

背景技术：

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以及与偏振复用技术的结合。针对偏振复用光信号的相干接收技术一般采用零差或外差接收方式处理光信号，而偏振分束器及90°光学混频器是这两种方式必不可少的核心组件。在相干接收系统中，偏振复用光信号经过偏振分束器解复用为两路单偏振光信号，而后在光学混频器中分别与来自本地振荡源的光束在满足波前匹配和偏振匹配的条件下进行光学混频，从而转换为携带幅度、相位等信息的差频信号。最后，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。

常用的混频器是基于光波导型多模干涉器(multimodeinterferometer:mmi)来实现，且通过输入光在mmi中的自映像效应实现在mmi输出端的光学混频。但当不同偏振态的光(特别是横电(transverseelectric:te)模式及横磁(transversemagnetic:tm)模式)输入同一个mmi时，由于光波导材料及器件一般均具有双折射性，所以输入光在mmi输出端的成像位置存在差异。因此，mmi的传输特性均表现出对输入光偏振态的依赖性，从而导致混频器对不同偏振态的输入光表现出的性能存在差异。

在当前的相干光接收系统中，提高不同偏振态光束的光学混频性能与提高系统的集成度及降低系统成本存在着一定的矛盾。一方面，如果要实现对te和tm两种偏振态光束的最优性能的光学混频，必须采用分别设计的不同结构的mmi，这样就限制了相干接收系统的集成度及产品化。另一方面，如果要采用同一个mmi实现对te和tm两种偏振态光束的光学混频，就需要增加一个偏振旋转器。这个偏振旋转器将解复用之后的一路单偏振光束的偏振态转换为与另一路单偏振光束一致的偏振态。经过这样的偏振转换，两路光束可在同一结构设计的mmi中分别与本地振荡源的光束进行高性能的光学混频。然而，这也提高了相干接收系统的复杂度及成本。而且，由于平面波导的光轴不易旋转，偏振旋转器的实现比较困难，一般是基于一些制备工艺复杂的特殊结构来实现。而复杂的工艺及制备容差也降低了偏振旋转器的传输性能并限制了相干光接收系统的集成。因此，如何实现结构简单、易于制备的偏振旋转器，以及如何实现其与偏振分束器和混频器的集成就成为实现高性能、低成本的相干接收系统的过程中亟待解决的关键问题。

技术实现要素：

本发明针对上述问题提出一种可实现无差异混频的相干光接收机，该相干光接收机结构紧凑，不仅可对光学混频实现理论上性能的最大优化，同时也提高了相干接收系统的集成度并降低了系统成本。

为达到上述目的，本发明的技术方案为一种可实现无差异混频的相干光接收机，包含两个混频器(hybrid:hyb)，分束器(beamsplitter:bs)，光探测器(photodetector:pd)和跨阻放大器(transimpedanceamplifier:tia)，还包括偏振分束旋转器(polarizationsplitter–rotator:psr)以代替传统结构中的偏振分束器和偏振旋转器。具体的工作过程为：信号光从光纤入射，其中包含te模和tm模，经过psr后te模式的光保持偏振态不变，从混频器(5)的端口1进入，而tm模式的光转换成te模式的光后，从混频器(6)的端口3进入；本地信号光从光纤入射，其偏振态仅为te模式，经过分束器之后分别输入混频器(5)的端口2和混频器(6)的端口4，分别在混频器中与解复用后的信号光进行混频。混频之后从混频器输出的光经过光探测器的光电转换产生电信号，再经过跨阻放大器的放大及差分转换为差频电信号。

进一步，上述偏振分束旋转器采用基于但不限于模式衍化及模式耦合的方式。

进一步，上述从光纤入射的信号光是偏振复用光信号，即在同一波长信道中，通过光的两个相互正交偏振态同时传输两路信息。

上述偏振复用信号在经过偏振分束旋转器的偏振解复用后形成两路处于单一偏振态的信号，其分别对应的两个混频器的设计与实现完全相同。

上述混频器的实现方式可以有2种：即由4个2分2的多模干涉器或由1个2分4的多模干涉器构成。

上述差频电信号包括携带幅度、相位信息的电信号。

与传统的相干光接收机相比较，本发明具有如下有益效果：

1，本发明将pbs和pr的功能用单独的psr来实现，解决了传统的相干接收机对偏振复用光信号中不同偏振态光的差异性接收的问题。

2，本发明提出的相干光接收机结构紧凑，不仅可对光学混频实现理论上性能的最大优化，同时提高了相干接收系统的集成度并降低了系统成本。

附图说明

图1为本发明提出的相干光接收机的结构图。

图2为偏振分束旋转器的结构图。

图3为分束器结构图。

图4为混频器结构图，输入端口为20/22。

图5为混频器结构图，输入端口为21/19。

图6为混频器结构图，输入端口为22/20。

图7为混频器结构图，输入端口为19/21。

具体实施方式

现结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明提出的解决方案主要体现在相干接收机中用单独的偏振分束旋转器(polarizationsplitter–rotator:psr)代替了传统结构中的偏振分束器(polarizationbeamsplitter:pbs)和偏振旋转器(polarizationrotator:pr)，以及偏振分束旋转器与混频器的集成。本发明的相干接收机通过将偏振复用光信号解复用并转换为同一偏振态的两路光束，实现了能对偏振复用光信号进行无差异混频的相干光接收机。

如图1所示，相干光接收机包含混频器(5,6)，分束器，光探测器和跨阻放大器，还包括偏振分束旋转器以代替传统结构中的偏振分束器和偏振旋转器。信号光从光纤入射，其中包含te模和tm模(上标和下标分别为输入和输出光的偏振态)。经过psr后，te模式的光保持偏振态不变，从图中端口1入射到混频器(5)(hybrid:hyb)；而tm模式的光转换成了te模式的光，从图中端口3入射到hyb(6)。本地信号光(lo)从光纤入射，其偏振态仅为te模式，经过一个分束器(beamsplitter:bs)之后分别输入混频器5的端口2和混频器(6)的端口4，分别在两个hyb5和6中与解复用后的信号光进行混频。混频之后从hyb输出的光经过光探测器(photodetector:pd)的光电转换产生电信号，然后经过跨阻放大器(transimpedanceamplifier:tia)的放大及差分转换为携带幅度、相位等信息的差频电信号,xi(x-channel,in-phase),xq(x-channel,quadrature),yi(y-channel,in-phase),yq(y-channel,quadrature)。

信号光入射到相干光接收机时首先通过偏振分束旋转器(psr)，如图2所示。当tm0模式输入直波导7时，在第一宽度渐变的锥形波导8中，由于波导宽度的变化而引起tm0模式向te1模式的逐渐演变，而且在直波导9处，tm0模式完全演变成te1模式。此外，由于相邻的直波导11与直波导9之间满足相位匹配条件，即模式的等效折射率相同，此时te1模式的光会耦合入直波导11，并通过第三渐变波导区12波导宽度的改变，使得耦合过来的te1模式转化成te0模式，最终在第二输出端口13输出te0模式的光。当te0模式输入直波导7时，第一渐变波导区8中波导宽度的变化不会引起模式混合，在直波导9处也因不满足te0模式的相位匹配条件而不能耦合进入直波导11。因此入射的te0模式仍然沿着第二渐变波导区10传输，最终在第一输出端口14输出te0模式。由此，psr实现了te0、tm0分别输入时在不同端口均输出te0模式。

本地振荡光入射到相干光接收机时，首先通过分束器(bs)将本地振荡光分为相同的两束光输入到后方的混频器中，其中分束器由1分2的mmi构成。如图3所示，本地光由波导15输入到相干光接收机中，通过在1分2的mmi多模波导16中的自成像，bs将输入的本地光均分为两路输出光并分别由波导17和18输入到后方的混频器中。

光混频器的实现方式可以有2种：由4个2分2的mmi构成和由1个2分4的mmi构成，现通过由1个2分4的mmi构成的光混频器为例对本专利提出的结构进行说明。由于通过psr的两个输出端输入到混频器的光均为te模式，所以对于接收机中的两个90°光混频器5和6而言其输入光并不存在偏振态的差异，因此两个mmi结构完全相同且mmi可以针对te光精确成像来设计，无需因考虑偏振态差异而取折中值。在本发明提出的光接收机中，psr的输出光及bs的输出光可以分别由mmi的输入端口20和22、21和19、22和20以及19和21输入，分别如图4、5、6、7所示，上述混频器5和6的输入端口一一对应，若使用环境特殊输入端口可以不同，如混频器5的输入端口为20和22而混频器6的输入端口为21和19等任意组合，这种输入端口的差别并不影响混频器的设计以及其传输性能。两路输入光在mmi的多模波导区23中进行混频，并分别在输出端口24，25，26，和27输出，混频后的输出光信号再经过光电转换及差分产生携带幅度、相位等信息的差频电信号。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。