光脉冲时间延迟装置的制作方法

1.本发明涉及光电子学器件技术领域，尤其涉及一种光脉冲时间延迟装置。


背景技术：

2.高速光通信系统是高速数字信号处理的重要应用方向，利用光信号来进行数据的传输与处理逐渐成为研究热点，应用光信号进行模数转换的器件为光学模数转换器（analog-to-digital converter，adc）。高速光学adc系统可以划分为光辅助型光学adc，光采样光量化型adc和光采样电量化型adc。光辅助型光学adc需要利用外界光信号触发电学采样结构，本质上仍属于电学采样；光采样光量化型adc需要借助非线性材料来进行信号量化，但现有材料的非线性系数有限，难以实现高精度采样量化，相比较于前两者，光采样电量化型adc由于不需要光脉冲触发采样，且不需要利用非线性材料进行量化而受到广泛关注。
3.在光采样电量化adc系统中，为了实现高速采样，光学adc中的脉冲生成模块负责将激光器出射的原始脉冲信号转换成高频率采样信号。根据脉冲信号的转换原理，可以将目前的脉冲生成方案分为基于光时分复用的脉冲生成方案和基于时间-波长交错复用的脉冲生成方案。其中，基于光时分复用的脉冲生成方案需要借助三维空间中的分立器件实现光脉冲的时域交错复用，比如利用三维空间中的光纤延时线或反射镜结构来构建自由空间光延时线，这一方案不易于集成，尺寸较大并且对机械振动比较敏感。基于时间-波长交错复用的脉冲生成方案中，可以使用集成光学中的元件构建脉冲生成器，脉冲时域交错复用的实现需要以下三个过程：（1）利用波分解复用器来对激光器出射的多波长脉冲信号进行波长解复用。（2）经过波长解复用后的各个波长信号分别进入不同的空间上独立的延时线波导，进而不同波长的光信号在延时线波导内传输时会产生相对时间延时。（3）利用波分复用结构将产生相对时间延时的不同波长的光脉冲信号进行合束以形成高频率的采样脉冲。这一方案虽然可以进行片上器件集成，但其需要波分复用结构及波分解复用结构来对交错复用前后的光信号进行处理，比如利用微环结构或阵列波导光栅结构，但微环结构由于具有工艺偏差所导致的波长偏移而需要引入热光调制或电光调制有源结构来进行波长校准，进而增加了系统的复杂度，阵列波导光栅结构则由于尺寸较大而会提高系统面积。此外，不同波长的光脉冲信号各自在空间上独立的延时线波导内传输，导致器件尺寸较大。


技术实现要素：

4.本发明提供一种光脉冲时间延迟装置，用以解决现有技术中光脉冲时间延迟装置尺寸较大且复杂度较高的缺陷。
5.本发明提供一种光脉冲时间延迟装置，包括：光波导开关以及多个光波导传输线，所述光波导开关与各光波导传输线的输入端连接，且各光波导传输线的弯曲参数不同；所述光波导开关用于基于原始光脉冲信号生成多个具有不同传输常数的光脉冲
信号，并将各光脉冲信号传输至相应的光波导传输线中，以使相应的光波导传输线对相应光脉冲信号进行时间延迟处理，得到相应的光脉冲延时信号。
6.根据本发明提供的一种光脉冲时间延迟装置，各光波导传输线至少包括一个弯曲波导和一个直波导。
7.根据本发明提供的一种光脉冲时间延迟装置，各光波导传输线的输出端连接有至少一个光模式耦合器，各光模式耦合器包括一个弯曲波导和一个直波导，用于对所述光脉冲延时信号进行耦合。
8.根据本发明提供的一种光脉冲时间延迟装置，所述光模式耦合器为te模式单偏振光模式耦合器、tm模式单偏振光模式耦合器以及混合模式偏振光模式耦合器中的任一种；所述光模式耦合器的结构为单个耦合器结构或级联耦合器结构。
9.根据本发明提供的一种光脉冲时间延迟装置，所述光波导开关为条形光波导开关或脊形光波导开关，各光波导传输线中的光波导为条形光波导或脊形光波导，各光模式耦合器中的光波导为条形光波导或脊形光波导。
10.根据本发明提供的一种光脉冲时间延迟装置，所述装置还包括关联耦合模块，用于对耦合后的各光脉冲延时信号进行混合。
11.根据本发明提供的一种光脉冲时间延迟装置，所述光波导传输开关与各光波导传输线的连接端口截面尺寸与对应光波导传输线的截面尺寸相同或不同。
12.根据本发明提供的一种光脉冲时间延迟装置，所述光波导开关包括光功率分束器和/或光波长解复用型分束器。
13.根据本发明提供的一种光脉冲时间延迟装置，所述光波长解复用型分束器的结构为微环结构、阵列波导光栅结构以及级联马赫曾德尔干涉仪结构中的任一种。
14.根据本发明提供的一种光脉冲时间延迟装置，所述光波导开关包括te模式单偏振光波导开关、tm模式单偏振光波导开关以及混合模式偏振光波导开关中的至少一种。
15.本发明提供的光脉冲时间延迟装置，通过在光波导开关上集成的具有不同弯曲形状参数的光波导传输线对不同的光脉冲信号进行时间延迟处理，不仅可以避免传统方法中需要借助三维空间中的分立器件实现光脉冲信号的时间延迟处理导致器件尺寸较大的问题，而且结构简单成本较低。同时，本发明实施例不需要采用传统方法中的反射镜结构来构建自由空间光延时线，从而可以不受机械振动的影响，得到更高精度的脉冲延迟信号。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是本发明提供的光脉冲时间延迟装置的结构示意图之一；图2是本发明提供的光脉冲时间延迟装置的结构示意图之二；图3是本发明提供的光脉冲延迟示意图；图4是本发明提供的关联耦合模块的结构示意图。
具体实施方式
18.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.根据脉冲信号的转换原理，可以将目前的脉冲生成方案分为基于光时分复用的脉冲生成方案和基于时间-波长交错复用的脉冲生成方案。其中，基于光时分复用的脉冲生成方案需要借助三维空间中的分立器件实现光脉冲的时域交错复用，比如利用三维空间中的光纤延时线或反射镜结构来构建自由空间光延时线，这一方案不易于集成，尺寸较大并且对机械振动比较敏感。基于时间-波长交错复用的脉冲生成方案中，可以使用集成光学中的元件构建脉冲生成器，脉冲时域交错复用的实现需要以下三个过程：（1）利用波分解复用器来对激光器出射的多波长脉冲信号进行波长解复用。（2）经过波长解复用后的各个波长信号分别进入不同的空间上独立的延时线波导，进而不同波长的光信号在延时线波导内传输时会产生相对时间延时。（3）利用波分复用结构将产生相对时间延时的不同波长的光脉冲信号进行合束以形成高频率的采样脉冲。这一方案虽然可以进行片上器件集成，但其需要波分复用结构及波分解复用结构来对交错复用前后的光信号进行处理，比如利用微环结构或阵列波导光栅结构，但微环结构由于具有工艺偏差所导致的波长偏移而需要引入热光调制或电光调制有源结构来进行波长校准，进而增加了系统的复杂度，阵列波导光栅结构则由于尺寸较大而会提高系统面积。此外，不同波长的光脉冲信号各自在空间上独立的延时线波导内传输，导致器件尺寸较大。
20.对此，本发明提供一种光脉冲时间延迟装置。图1是本发明提供的光脉冲时间延迟装置的结构示意图之一，如图1所示，该装置包括光波导开关110以及多个光波导传输线120，光波导开关110与各光波导传输线120的输入端连接，且各光波导传输线120的弯曲参数不同；光波导开关110用于基于原始光脉冲信号生成多个具有不同传输常数的光脉冲信号，并将各光脉冲信号传输至相应的光波导传输线120中，以使相应的光波导传输线120对相应光脉冲信号进行时间延迟处理，得到相应的光脉冲延时信号。
21.具体地，光波导开关110可以根据原始光脉冲信号生成多个具有不同传输常数的光脉冲信号，其中传输常数用于表征光脉冲信号的传输特性，如可以表征光脉冲信号的波长、带宽、相位、频率等。如图1所示，光波导开关可以具有多个输出端口130a、130b、130c和130d，各输出端口分别与其中一个光波导传输线120的输入端连接。其中，光波导传输线120包括自由弯曲形状的光波导，从而光脉冲信号在通过弯曲形状的光波导时可以实现时间延迟，得到相应的光脉冲信号。
22.此外，各光波导传输线120的弯曲参数不同，也可以理解为各光波导传输线120上的光波导形状参数不同，从而各光波导传输线120上的光波导在对光脉冲信号进行时间延迟处理时，能够得到不同的光脉冲延时信号。其中，弯曲参数可以包括弯曲形状、长度、宽度、高度等。
23.需要说明的是，为了方便进行解释和说明，图1以4个光波导传输线分别与光波导开关连接为例进行说明，本发明实施例中的光波导传输线可以为m个，m≥2。
24.此外，本发明实施例提供的光脉冲延迟装置也可以为图2所示的结构，图1所示的光脉冲装置可以对各光脉冲延迟信号进行波长相关混合，图2所示的光脉冲装置可以对各光脉冲延迟信号进行波长无关混合，例如可以基于各光脉冲延迟信号的带宽进行混合。
25.由此可见，本发明实施例提供的光脉冲时间延迟装置，通过在光波导开关上集成的具有不同弯曲形状参数的光波导传输线对不同的光脉冲信号进行时间延迟处理，不仅可以避免传统方法中需要借助三维空间中的分立器件实现光脉冲信号的时间延迟处理导致器件尺寸较大的问题，而且结构简单成本较低。同时，本发明实施例不需要采用传统方法中的反射镜结构来构建自由空间光延时线，从而可以不受机械振动的影响，得到更高精度的脉冲延迟信号。
26.基于上述实施例，各光波导传输线120至少包括一个弯曲波导和一个直波导。
27.具体地，波导是用来定向引导电磁波的结构，实现在端点间传递电磁波的任何线性结构。在集成光学中，波导连接不同的光学组件，实现光传递。根据波导的几何形状，波导可分为弯曲波导和直波导。弯曲波导可以实现连接非共线光学组件，改变光束的传播方向，特别是小尺寸、低损耗的弯曲波导，可提高集成光学的集成度并降低器件尺寸和成本。直波导可以用于连接光波导传输线上的弯曲波导，从而使得光脉冲信号能够沿相应方向进行传输。
28.由于各光波导传输线120上至少包括一个弯曲波导，从而光脉冲信号在相应弯曲波导中进行传输时，其传输路径是弯曲的，也就是在弯曲波导中的传输路径相较于直线传播的传输路径较长，从而使得光脉冲信号产生时间延迟，得到光脉冲延时信号。
29.此外，各光波导传输线120上的弯曲波导的弯曲形状参数不同，从而各光波导传输线120上的光波导在对光脉冲信号进行时间延迟处理时，能够得到不同的光脉冲延时信号。
30.基于上述任一实施例，各光波导传输线120的输出端连接有至少一个光模式耦合器140，各光模式耦合器140包括一个弯曲波导和一个直波导，用于对光脉冲延时信号进行耦合。
31.具体地，光脉冲信号在光波导传输线120中传输时会受到一些附加效应的影响，例如，外界干扰或者非线性相互作用。光模式耦合器140能够输出高精度的光脉冲延时信号。
32.对此，本发明实施例在每个光波导传输线120的输出端至少连接一个光模式耦合器140，且各光模式耦合器140包括一个弯曲波导和一个直波导，其中该直波导紧靠对应的光波导传输线120的直波导，用于将对应的光脉冲延迟信号经过模式转换后耦合至对应的弯曲波导。其中，光模式耦合器140可以设置在各光波导传输线120的不同位置处。
33.基于上述任一实施例，光模式耦合器140为te模式单偏振光模式耦合器、tm模式单偏振光模式耦合器以及混合模式偏振光模式耦合器中的任一种；光模式耦合器140的结构为单个耦合器结构或级联耦合器结构。
34.具体地，光模式耦合器140是把不同模式或者不波长的光，或者模式和波长都不相同的光，与关联耦合模块150中的输出结构151进行耦合，进行能量的转化，即把光能量从光波导传输线120传递到输出结构151上。
35.其中，te模式可以称为横电模，指的是电场方向与传播方向垂直，tm可以称为横磁模，指的是磁场方向与传播方向垂直。由此可见，te模式单偏振光模式耦合器用于对横电模的偏振光进行耦合，tm模式单偏振光模式耦合器用于对横磁模的偏振光进行耦合。
36.此外，混合模式偏振光模式耦合器可以理解为te、tm混合模式偏振光模式耦合器，te和tm可以合称为lp，即线性偏振模，也就是混合模式偏振光模式耦合器用于对线性偏振模的偏振光进行耦合。
37.再有，光模式耦合器140的结构为单个耦合器结构或级联耦合器结构，也就是光模式耦合器140既可以为单个耦合器，如可以为单个te模式单偏振光模式耦合器、单个tm模式单偏振光模式耦合器、单个混合模式偏振光模式耦合器中的任意一个，也可以是级联有多个耦合器，如级联有多个te模式单偏振光模式耦合器、或多个tm模式单偏振光模式耦合器、或混合模式偏振光模式耦合器，还可以级联有te模式单偏振光模式耦合器、tm模式单偏振光模式耦合器以及混合模式偏振光模式耦合器中的至少两个耦合器，本发明实施例对此不作具体限定。
38.基于上述任一实施例，光波导开关110为条形光波导开关或脊形光波导开关，各光波导传输线120中的光波导为条形光波导或脊形光波导，各光模式耦合器140中的光波导为条形光波导或脊形光波导。
39.具体地，光波导开关110体积小、速度快、易于集成并与其它光器件耦合，光波导开关110为条形光波导开关或脊形光波导开关。各光波导传输线120中的光波导可以为平面光波导，所谓平面光波导，也就是光波导位于一个平面内。各光波导传输线120中的光波导可以为条形光波导或脊形光波导，以及各光模式耦合器140中的光波导为条形光波导或脊形光波导。
40.基于上述任一实施例，时间延迟装置还包括关联耦合模块150，用于对耦合后的各光脉冲延时信号进行混合。
41.具体地，时间延迟装置还包括关联耦合模块150，关联耦合模块150的输入端与各光模式耦合器140的输出端连接或关联耦合模块150与各光模式耦合器140耦合连接，从而各光模式耦合器140耦合得到的光脉冲延迟延时信号可以在关联耦合模块150中基于各光脉冲延时信号的波长或各光脉冲延迟信号的带宽对耦合后的各光脉冲延时信号进行混合，也就是可以进行波长相关处理，也可以进行波长无关处理。
42.如图1所示，关联耦合模块150可以包括输出结构151、信号监测端152和信号输出端153，其中输出结构151用于对不同延迟光脉冲信号进行混合，信号监测端152用于对混合处理后的各光脉冲延时信号进行监测，信号输出端153用于输出混合处理后的各光脉冲延时信号。其中，图3是基于时间-模式交错复用的4模式光脉冲时间延迟装置内光脉冲信号的延时示意图，图4为关联耦合模块150的结构示意图。
43.基于上述任一实施例，光波导传输开关110与各光波导传输线120的连接端口截面尺寸与对应光波导传输线120的截面尺寸相同或不同。
44.具体地，波导传输开关110与各光波导传输线120的连接端口截面尺寸与对应光波导传输线120的截面尺寸相同，表示光波导从传输开关110与各光波导传输线120主要是波长相关结构。若截面尺寸不同，则表明主要是模式耦合结构，或者模式和波长共同耦合结构。
45.基于上述任一实施例，光波导开关110包括光功率分束器和/或光波长解复用型分束器。
46.具体地，光波导开关110包括光功率分束器和/或光波长解复用型分束器，用于将
原始光脉冲信号分解为多个具有不同传输常数的光脉冲信号。其中，光功率分束器用于根据光能量将原始光脉冲信号分解为多个具有不同传输常数的光脉冲信号，光波长解复用型分束器用于根据光波长将原始光脉冲信号分解为多个具有不同传输常数的光脉冲信号。
47.由此可见，本发明实施例中的光波导开关110既可以实现基于模式对原始光脉冲信号进行解复用，也可以实现基于光波长对原始光脉冲信号进行解复用，以灵活满足不同场景需求。
48.基于上述任一实施例，光波长解复用型分束器的结构为微环结构、阵列波导光栅结构以及级联马赫曾德尔干涉仪结构中的任一种。
49.具体地，微环结构集成度高，作用强大且体积微小，从而可以进一步减小光脉冲时间延迟装置的体积，提高集成度。
50.阵列波导光栅（awg，arrayed waveguide grating）结构是正在迅速发展的密集波分复用系统（dwdm）网络中的首选技术。awg具有滤波特性和多功能性，可获得大量的波长和信道数，实现数十个至几百个波长的复用和解复用。利用n
×
n 的矩阵形式在n个波长上可同时传输n 路不同的光信号，并能灵活地与其它光器件构成多功能器件和模块。此外，awg还具有高稳定性及好的性价比，非常适合高速大容量的dwdm系统使用。awg器件是以光集成技术为基础的平面波导型器件，具有平面波导技术的潜在优点，适宜于批量生产，重复性好，尺寸小，插入损耗均匀性较好，加温控后热稳定性好，并且可与有源器件集成，组成光电集成电路等。其中，阵列波导光栅结构的原理为：含有多个波长的复用信号光经中心输入信道波导输出后，在输入平板波导内发生衍射，到达输入凹面光栅上进行功率分配，并耦合进入阵列波导区。因阵列波导端面位于光栅圆的圆周上，所以衍射光以相同的相位到达阵列波导端面上。经阵列波导传输后，因相邻的阵列波导保持有相同的长度差δl，因而在输出凹面光栅上相邻阵列波导的某一波长的输出光具有相同的相位差，对于不同波长的光此相位差不同，于是不同波长的光在输出平板波导中发生衍射并聚焦到不同的输出信道波导位置，经输出信道波导输出后完成了波长分配即解复用功能。这一过程的逆过程，即如果信号光反向输入，则完成复用功能，原理相同。
51.马赫-曾德尔干涉仪结构可以用来观测从单独光源发射的光束分裂成两道准直光束之后，经过不同路径与介质所产生的相对相移变化，其工作原理为：一道准直光束被第一块半镀银镜分裂成两道光束，称为“样品光束”与“参考光束”。这两道光束分别被两块镜子反射后，又通过同样的第二块半镀银镜，然后进入检测器。
52.除了最后一块半镀银镜以外，所有全镀银镜与半镀银镜的表面都是面对入射光束。最后一块半镀银镜的表面是面对透射过第一块半镀银镜的光束。
53.基于上述任一实施例，光波导开关110包括te模式单偏振光波导开关、tm模式单偏振光波导开关以及混合模式偏振光波导开关中的至少一种。
54.具体地，te指的是电场方向与传播方向垂直，tm指的是磁场方向与传播方向垂直。由此可见，te模式单偏振光波导开关用于对电场方向与传播方向垂直的偏振光进行分解，tm模式单偏振光波导开关用于对磁场方向与传播方向垂直的偏振光进行分解。
55.此外，混合模式偏振光波导开关可以理解为te、tm混混合模式偏振光波导开关，te和tm可以合称为lp，即线性偏振模，也就是混合模式偏振光波导开关用于对线性偏振模的偏振光进行分解。
56.再有，光波导开关110可以包括单个te模式单偏振光波导开关或单个tm模式单偏振光波导开关，也可以包括多个te模式单偏振光波导开关或多个tm模式单偏振光波导开关，还可以包括te模式单偏振光波导开关和单个tm模式单偏振光波导开关构成的混合模式偏振光波导开关，本发明实施例对此不作具体限定。
57.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
58.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
59.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。