CN102087421B - 用于相干光通信的晶体型光混合器 - Google Patents

Abstract

一种用于相干光通信的晶体型光混合器，在光信号行进的方向上依次设置的用作起偏器的第一双折射晶体、用作起偏器的第二双折射晶体、用作偏振合束的第三双折射晶体及用作检偏器的第四双折射晶体，第一双折射晶体与第二双折射晶体之间设置有半波片，所述的第二双折射晶体与第三双折射晶体之间设置有第一、第二半波片及第一、第二四分之一波片，第一、第二半波片并排的设置在第二双折射晶体的一侧，第一、第二四分之一波片设置在第三双折射晶体的一侧。本发明无需由偏振分束器与90°光混合器组合而成，是一种“一体化”的器件，体积小巧；相对于平面波导型90°光混合器，该器件基于成熟的晶体型器件工艺平台，制作简单，成品率高，非常适合大规模生产。

Description

用于相干光通信的晶体型光混合器

技术领域

本发明涉及一种光混合器，特别是涉及一种用于偏振复用正交相移键控调制系统中实现信号相干解调功能的用于相干光通信的晶体型光混合器。

背景技术

100G(Gbit/s)技术是近年来的研究热点，而DP-QPSK调制格式适用于100G系统的最佳调制格式之一。在100G的DP-QPSK系统中，为了提高接收端的灵敏度，都采取了基于相干检测(Coherent Detection)的接收方式：即用一个本振光(Local Oscillator，LO)与接收到的信号光进行相干混合，从而将相位调制转化为强度调制。一个DP-QPSK相干接收机的基本原理框图如图1所示。

DP-QPSK信号(图中用S表示)和本振光信号(图中用L表示)首先输入到一个相干解调器3中进行解调从而将相位调制转化为强度调制，经过解调后，八路输出信号已经有相位调制信号转化为强度调制信号。这八路输出经过与四对平衡探测器单元4相连，进行平衡检测以提高光信噪比，输出的电信号进入到DSP芯片5中进行最终的处理。由于在接收机中，对两个偏振态的信号进行分开处理，这种接收方式也被称为偏振分集接收。可以看到，该接收机的核心部件即为用于解调DP-QPSK信号的光相干混合器，该器件包括两个输入端口和八个输出端口，因此也被称为2×8QPSK混合器。

图2为一个典型的2×8QPSK混合器原理示意图。在图2中，接收到的DP-QPSK信号首先经过一个偏振分束器3-1将其分为两个正交的偏振分量，记为Sx与Sy；本振光同样被分束器3-2分为两部分，这两部分的偏振方向分别与Sx和Sy的偏振方向相同，记为Lx与Ly。其中，Sx与Lx进入一个90°光混合器3-3进行相干混合，而Sy与Ly进入另一个90°光混合器3-3进行相干混合。该器件共产生八路输出信号，分别记为：Sx+Lx，Sx-Lx，Sx+jLx，Sx-jLx；Sy+Ly，Sy-Ly，Sy+jLy，Sy-jLy。

设计这种2×8QPSK混合器的思路一般是：用两个90°光混合器单元分别解调两个偏振态上的相位调制信号，每个90°光混合器单元是一个2×4装置，包括两个输入和四个输出端口。用偏振分束器来实现对接收到的信号光进行偏振解复用，对于本振光，由于其偏振态确定，可以用偏振分束器将其分解成两路能量相等、振动方向正交的本振光信号(这两个本振光信号的振动方向要与进行偏振解复用后的两路信号光的振动方向相同)，也可以用一个功率分束器将本振光分为两路能量相等，振动方向也相同的本振光信号，因此，图1中的3-2可以是偏振分束器也可以是功率分配器。需要注意到的是，对于每一个90°光混合器单元，要求其输入两路光信号的偏振态相同，因此，在对信号光或者本振光进行分束后(分束后信号光的偏振态就是确定的，而本振光的偏振态亦是确定的)需要加入一些固定的偏振控制单元保证90°光混合器单元的两个输入光信号偏振态相同。

这种2×8QPSK混合器的核心在于90°光混合器单元(也被称为90°optical hybrid)的设计，其设计思路在于将90°光混合器单元与偏振分束器等光学器件组合在一起构成一个2×8QPSK混合器，而组合形式又可以分为自由空间光学组合与平面波导集成两种：

1)美国专利申请文件US 2007/0223932 A1“Free-space optical hybrid”中，提出了一种基于自由空间光学设计的偏振无关型90°光混合器，结合偏振分束器，就可以把该混合器用于2×8QPSK混合器之中；

2)在Flectronics Letters论文“Compact bulk optical 90°hybrid for balanced phasediversity receivers”中(Electronics Letters，vol.25，no.22，pp.1518-1519，1989)，作者提出了一种基于自由空间光学设计的90°光混合器，利用一个小角度入射的50/50功率分束器和方解石晶体实现了分光与信号的混合，但这个器件是一个偏振相关器件，对入射光的偏振态有一定的要求，并不适合在实际系统中的应用；

3)在2010年的OFC会议上，T.Inoue等人在文章“Double-pass PBS-integrated coherentmixer using silica-based PLC”中提出并制作了一种平面波导型的2×8QPSK混合器，在一块硅基芯片上集成了偏振分束器和两个90°光混合器单元。

上述几种2×8QPSK混合器都是由偏振分束器与90°光混合器等光器件组合而成，对于自由空间光学设计的2×8QPSK混合器，多个部件的组合导致了整个器件的体积偏大，同时这种自由空间光学型器件的温度特性较差；而对于平面波导型的2×8QPSK混合器，在一块芯片上同时集成多个器件工艺难度很高，具有成品率较低，耦合损耗较大的缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种利用偏振光干涉的原理，用双折射晶体实现一种基于自由空间光学设计的2×8QPSK混合器，用于DP-QPSK光信号解调的用于相干光通信的晶体型光混合器。

本发明所采用的技术方案是：一种用于相干光通信的晶体型光混合器，包括有：在光信号行进的方向上依次设置的用作起偏器的第一双折射晶体、用作起偏器的第二双折射晶体、用作偏振合束的第三双折射晶体及用作检偏器的第四双折射晶体，其中，所述的第一双折射晶体与第二双折射晶体之间设置有半波片，所述的第二双折射晶体与第三双折射晶体之间设置有第一、第二半波片及第一、第二四分之一波片，所述的第一、第二半波片并排的设置在第二双折射晶体的一侧，所述的第一、第二四分之一波片设置在第三双折射晶体的一侧。

所述的半波片、第一半波片及第二半波片分别将入到的光束的偏振态旋转90度。

所述的第一四分之一波片和第二四分之一波片产生所需的π/2相移。

本发明的用于相干光通信的晶体型光混合器，无需由偏振分束器与90°光混合器组合而成，是一种“一体化”的器件，体积小巧；相对于平面波导型90°光混合器，该器件基于成熟的晶体型器件工艺平台，制作简单，成品率高，非常适合大规模生产。本发明的技术特点在于：

1、利用晶体的双折射特性，实现了偏振分束器的功能；

2、信号光与本振光的混合同样通过双折射晶体的偏振合束的功能来实现；

3、90°的相移通过插入四分之一波片来引入。

附图说明

图1是DP-QPSK接收机原理示意图；

图2是2×8QPSK混合器原理示意图；

图3是所述的晶体型2×8QPSK混合器光路结构图；

图4(a)是所述的晶体型2×8QPSK混合器光路原理图的侧视图；

图4(b)是所述的晶体型2×8QPSK混合器光路原理图的俯视图；

图5是半波片功能说明图；

图6(a)是双折射晶体3-9的截面图；

图6(b)是双折射晶体3-10的截面图；

图7是四分之一波片功能说明图。

其中：

3：2×8QPSK混合器；                4：平衡探测器组件；

5：DSP处理单元；                   3-1：偏振分束器；

3-2：偏振分束器或者功率分配器；    3-3：90°光混合器；

3-4：第一双折射晶体；              3-6：第二双折射晶体；

3-9：第三双折射晶体；              3-10：第四双折射晶体；

3-5：半波片；                      3-7-1：第一半波片；

3-7-2：第二半波片；                3-8-1：第一四分之一波片

3-8-2：四分之一波片。

具体实施方式

下面结合附图给出具体实施例，进一步说明本发明的用于相干光通信的晶体型光混合器是如何实现的。

如图3所示，本发明的用于相干光通信的晶体型光混合器，包括有：在光信号行进的方向上依次设置的用作起偏器的第一双折射晶体3-4、用作起偏器的第二双折射晶体3-6、用作偏振合束的第三双折射晶体3-9及用作检偏器的第四双折射晶体3-10，所述的第一双折射晶体3-4与第二双折射晶体3-6之间设置有半波片3-5，所述的第二双折射晶体3-6与第三双折射晶体3-9之间设置有第一、第二半波片3-7-1、3-7-2及第一、第二四分之一波片3-8-1、3-8-2，所述的第一、第二半波片3-7-1、3-7-2并排的设置在第二双折射晶体3-6的一侧，所述的第一、第二四分之一波片3-8-1、3-8-2设置在第三双折射晶体3-9的一侧。

其中，第一双折射晶体3-4与第二双折射晶体3-6相当于起偏器的作用，第三双折射晶体3-9起到偏振合束的作用，第四双折射晶体3-10起到检偏的作用。

所述的半波片3-5、第一半波片3-7-1及第二半波片3-7-2分别将入到的光束的偏振态旋转90度。所述的第一四分之一波片3-8-1和第二四分之一波片3-8-2起到产生所需的π/2相移的作用。

下面结合图3～图7来详细说明本发明的用于相干光通信的晶体型光混合器的工作原理：信号光S和本振光L同时输入到第一双折射晶体3-4，由于本振光L所使用的激光器偏振方向确定，该第一双折射晶体将本振光分为偏振方向相互正交强度相等的两束光，如图4(a)中的光束4-1和4-2；对于信号光S，由于其偏振态不确定，该第一双折射晶体将信号光分为偏振方向相互正交但强度并不相等的两束光，如图4(a)中的光束4-3和4-4。其中，光束4-1和4-3的偏振方向相同，光束4-2和4-4的偏振方向相同。光束4-2和4-4经过半波片3-5进行偏振旋转后，四束光的偏振态相同，此时半波片3-5的快轴(慢轴)与光束4-2以及4-4的偏振方向呈45度角。

第二双折射晶体3-6的作用是将四束偏振态相同的光再次进行偏振分光，该第二双折射晶体的快轴(慢轴)方向与这四束光的偏振方向成45度，因此这四束光中的每一束都被分解成了偏振方向正交且能量相同的两个分量，那么从第二双折射晶体3-6中出射的八束光中有四束的偏振方向沿着第二双折射晶体3-6的快轴，另外四束沿着第二双折射晶体3-6的慢轴。

下面用图5来说明第一半波片3-7-1与第二半波片3-7-2的作用：从第二双折射晶体3-6中出射了八束光，分别为光束5-1至光束5-8。其中，光束5-1，光束5-3，光束5-5以及光束5-7偏振方向相同，假设沿着第二双折射晶体3-6的快轴，则另外四束光的偏振方向则沿着双折射晶体的慢轴。而在这八束光中，光束5-1，光束5-2，光束5-5以及光束5-6属于本振光分量，光束5-3，光束5-4，光束5-7以及光束5-8属于信号光分量。为了用第三双折射晶体3-9将信号光分量和本振光分量进行偏振合束，需要利用第一半波片3-7-1与第二半波片3-7-2进行偏振态的旋转，具体来说，第二半波片3-7-2将光束5-1与光束5-5的偏振方向旋转90度，而第一半波片3-7-1将光束5-4与光束5-8的偏振方向旋转90度。这样一来，光束对5-1与5-3，5-2与5-4，5-5与5-7，5-6与5-8分别被第三双折射晶体3-9合束，每束合成光束包含两个正交分量，这两个正交分量中的一个为信号光的一部分，另一个为本振光的一部分，这样就顺利实现了将信号光分量与本振光分量的偏振合束。如图6(a)中，光束5-1与光束5-3合成光束6-1，光束5-2与光束5-4合成光束6-2，依次类推。

经第三双折射晶体3-9合束后的四束光6-1～6-4输入到第四双折射晶体3-10中进行检偏，产生八路输出信号，第四双折射晶体3-10相当于一个透光轴相互正交的检偏器，因此第四双折射晶体3-10的快轴(慢轴)与第三双折射晶体3-9呈45度。在第四双折射晶体3-10中，光束6-1分裂成光束7-1与光束7-2，光束6-2分裂成光束7-3与光束7-4，光束6-3分裂成光束7-5与光束7-6，光束6-4分裂成光束7-7与光束7-8，如图6(b)所示。其中，光束7-1～光束7-4是由光束4-1与光束4-3变换而来，对应于解调后偏振复用信号中的一路偏振态，具体来说，对应于图2中的x方向偏振态的解调输出信号，但是由于没有引入π/2相移，输出光信号中并不包含Sx+jLx与Sx-jLx项。具体来说，若光束7-1代表Sx+Lx，那么光束7-3也代表Sx+Lx，光束7-2与光束7-4均代表Sx-Lx。

第一四分之一波片3-8-1与第二四分之一波片3-8-2的作用在于引入所述的π/2相移，第一四分之一波片3-8-1和第二四分之一波片3-8-2的快轴方向相互正交。我们以光束5-1～光束5-4来说明π/2相移的产生原理，光束5-1～光束5-4同理可得。如图7所示，第一四分之一波片3-8-1放置于光束5-4与光束5-8(信号光)行进的光路上，第二四分之一波片3-8-2放置于光束5-2与光束5-6(本振光)行进的光路上，并且第一四分之一波片3-8-1和第二四分之一波片3-8-2放置于第一半波片3-7-1与第二半波片3-7-2的后方(以光路行进的方向为参考)。第一四分之一3-8-1的慢轴与光束5-4与光束5-8的偏振方向相同，第二四分之一波片3-8-2的快轴与光束5-2与光束5-6的偏振方向相同。这样一来，光束5-2与光束5-6相对于光束5-4与光束5-8就产生了π/2的相移，那么输出光束7-3与输出光束7-4即为Sx+jLx与Sx-jLx，同理输出光束7-7与输出光束7-8也为Sx+jLx与Sx-jLx。

Claims (2)

1.一种用于相干光通信的晶体型光混合器，其特征在于，包括有：在光信号行进的方向上依次设置的用作起偏器的第一双折射晶体(3-4)、用作起偏器的第二双折射晶体(3-6)、用作偏振合束的第三双折射晶体(3-9)及用作检偏器的第四双折射晶体(3-10)，其中，所述的第一双折射晶体(3-4)与第二双折射晶体(3-6)之间设置有半波片(3-5)，所述的第二双折射晶体(3-6)与第三双折射晶体(3-9)之间设置有第一、第二半波片(3-7-1、3-7-2)及第一、第二四分之一波片(3-8-1、3-8-2)，所述的第一、第二半波片(3-7-1、3-7-2)并排的设置在第二双折射晶体(3-6)的一侧，所述的第一、第二四分之一波片(3-8-1、3-8-2)设置在第三双折射晶体(3-9)的一侧，所述的半波片(3-5)、第一半波片(3-7-1)及第二半波片(3-7-2)分别将入射的光束的偏振态旋转90度。

2.根据权利要求1所述的用于相干光通信的晶体型光混合器，其特征在于，所述的第一四分之一波片(3-8-1)和第二四分之一波片(3-8-2)产生所需的π/2相移。

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