CN102377491A - 一种平面光波导型差分正交相移键控解调器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种平面光波导型差分正交相移键控解调器，包括有由马赫-泽得时延干涉仪组成的平面光波导芯片，所述马赫－泽得时延干涉仪的两臂均设置有石英半波片以及对称于石英半波片的模场转换器。本发明采用模场转换结构来扩大模场，从而降低器件的附加损耗；另外本发明采用石英半波片，可以使器件成本降低。

Description

一种平面光波导型差分正交相移键控解调器

技术领域

本发明涉及将差分正交相移键控信号转换为强度调制信号的一种解调器，本发明属于通信领域。

背景技术

长途骨干网流量激增导致的带宽需求增长，是40G传输产生的驱动力。进入2008年，全球40G传输商用化进程出现明显的加速趋势，主流运营商均已开始规模部署建设40G长途骨干网和城域骨干网。先进的调制格式特别是相位调制格式引起了研究人员极大的关注。调制码型技术是40G方案的核心内容，差分正交相移键控解调器（DQPSK解调器）调制格式能够实现较高的频带利用，提高了系统对各种损伤的容限，放松了系统对光器件的要求，被认为是40G乃至100G系统的主流解决方案之一 。同其它主要的几种调制格式NRZ、RZ、CSRZ、ODB、 DPSK相比， DQPSK在色散容限、PMD容限、非线性抵抗能力、噪声抵抗能力、传输距离以及接收灵敏度等方面具有明显的综合优越性。因此， DQPSK将是未来市场的主流。

在DQPSK系统的接收端，需要有光解调器将相位调制信号转换为强度调制信号从而提取载波相位中所携带的信息，因此光解调器是DPSK与DQPSK系统中的最重要光学器件之一。DQPSK解调器利用了延时干涉的原理，主要有以下3种实现形式：全光纤型、自由空间光学型、平面光波导（PLC）型。相对于其它两种方案，PLC技术以其易于规模化、自动化生产，稳定性好，易于集成，在价格和性能方面都更有优势等诸多特点，被认为是光通信产业的明日之星，具有非常广阔的应用前景。并且，像这种高端器件，性能要求越高时，PLC技术的优越性越明显。

为了减小Q值劣化代价，DQPSK解调器必须是低偏振相关的。由于偏振相关性而造成的频率失配对Q值的影响较大，在相同比特率下，DQPSK解调器比DPSK解调器大4倍。为了保证Q值代价小于0.2dB，对43Gbit/s的RZ-DQPSK信号，DQPSK解调器的偏振相关频率要小于FSR的1％(约200MHz)。但是由于应力双折射、波导结构不对称及偏振模耦合等原因，在平面波导中通常有较大的双折射效应，对不同偏振状态响应不同，这种现象称为偏振相关频率（PDF，或偏振相关波长PDW）。在一个典型的AWG应用中PDF的主要效应就是偏振相关损耗（PDL），PDF必须控制在6GHz左右，从而使PDL小于0.5dB。DQPSK应用中的要求更加严格，PDF必须优于200MHz，比典型的AWG高出30倍。因此，商用的PLC型DQPSK解调器解决偏振相关性就成为一个关键核心技术。为此，许多研究者提出了多种方案来解决平面光波导器件的偏振相关性问题，主要包括以下方法：增加α-硅膜调整应力、增加SiN膜调整应力、应力释放槽、调整基底材料、包层、波导的参数、增加偏振分离/偏振控制器、加半波片。

目前所有采用加半波片的方案都有一个共同点：半波片两侧的波导都是单模波导。加半波片的方案必然会带来附加损耗代价，石英半波片厚度一般为91微米，如果采用普通的石英半波片，由此带来的附加损耗高达5dB。因此，必须使用薄的高双折射率材料半波片。目前所有商用化PLC DQPSK解调器产品都采用了厚度约15微米的聚合物半波片，成功地解决了附加损耗，只有0.5dB。但是，这种聚合物波片全球只有两家供应商，成本高，并且受产能及专利应用的限制，购买极其困难。本发明的内容就是为了解决这种弊端，使用低成本的91微米厚的普通石英半波片来解决PLC器件的偏振相关性，同时附加损耗也低至0.5dB。

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术存在的问题和不足，提供一种平面光波导型差分正交相移键控解调器，其在使用石英半波片来实现平面光波导型器件的偏振无关的同时，大大降低器件的附加损耗。

本发明技术方案的原理具体如下：在波导中开槽加半波片来降低平面光波导型器件的偏振相关性时，必然会带来附加损耗代价，附加损耗的大小主要是由波导上开槽的宽度决定的，因为波导末端的出射光场是发散的，如图3所示，根据衍射理论：

     公式1

式中：θ为发射全角、a为波导宽度、λ为波长。

当θ很小时，由式(1)可得：

       公式2

根据几何关系：

                     公式3  式中：Zc为波导特征长度。

在θ很小时，由式(3)可得：

       公式4

所以，由式(2)、(4)得：

         公式5

也就是说，如果在波导特征长度Zc内，可以认为是从波导出射的光是近似平行的。

如图4所示，开槽宽度，也就波导间距离为D，如果D小于特征长度，附加损耗很小；如果D大于特征长度，附加损耗会显著增加，附加损耗随开槽宽度的变化趋势如图5所示。

折射率差为0.75％、波导尺寸为6微米×6微米的单模波导，取1.5微米的波长为例，由式5可得特征长度Zc为12微米。因此，为了降低附加损耗至商用要求，就必须使用约15微米厚的聚合物波片。但目前这种产品的供应链还不成熟，全球仅有2家供应商，而且产能不足、价格较高。为了解决这种问题，我们可以使用石英半波片、在放置波片的两侧波导中增加模场转换器，从而实现低附加损耗、偏振无关的特性。

本发明所采用的技术方案是：

一种平面光波导型差分正交相移键控解调器，包括有由马赫-泽得时延干涉仪组成的平面光波导芯片，所述马赫－泽得时延干涉仪的两臂均设置有石英半波片以及对称于石英半波片的模场转换器。

所述模场转换器为锥形波导Taper、分段波导的单一体或其组合体，且所述石英半波片放置于模场转换器较大模场一侧的未端的波导开槽中。

所述的锥形波导Taper采用沿光传输方向波导尺寸逐渐减小的锥形波导Taper或者沿光传输方向波导尺寸逐渐增大的锥形波导Taper。  

所述分段波导为沿辐射传播方向呈周期变化的周期性分段波导PSW或者为沿辐射传播方向呈非周期变化的锥形分段波导SWT。

所述模场转换器为锥形波导Taper、周期性分段波导PSW、锥形分段波导SWT的任意组合。

所述模场转换器为锥形波导Taper、周期性分段波导PSW、锥形分段波导SWT、连续波导CW的任意组合，且所述石英半波片放置于所述模场转换器较大模场一侧的未端的波导开槽中。

所述模场转换器较大模场一侧的未端设置有连续波导CW，所述石英半波片放置于该连续波导CW的开槽中。

本发明具有如下优点：

1、本发明采用模场转换结构来扩大模场，从而降低附加损耗；

2、本发明采用石英半波片，使器件成本降低。

附图说明

图1是本发明带有模场转换器及使用石英半波片的DQPSK光学解调器的结构示意图；

图2是DQPSK光学解调器的传输谱线；

图3是波导末端的发散光场示意图；

图4是波导开槽后两波导间的发散光场示意图；

图5是波导中附加损耗随开槽宽度的变化趋势图；

图6是本发明中对称于石英半波片的模场转换器结构示意图；

图7是本发明模场转换器为沿光传播方向波导尺寸逐渐减小的锥形波导来实现模场转换的结构示意图；

图8是本发明模场转换器为沿光传播方向波导尺寸逐渐增大的锥形波导来实现模场转换的结构示意图；

图9是本发明模场转换器为沿光传播方向呈周期性变化的分段波导PSW来实现模场转换的结构示意图；

图10-14是本发明模场转换器为五种不同形式的锥形分段波导SWT来实现模场转换的结构示意图；

图15至图21是本发明模场转换器由Taper-PSW-SWT组合而成的结构示意图；

图22至图25是本发明模场转换器由PSW-SWT组合而成的结构示意图；

图26是本发明模场转换器为PSW-SWT-CW组合而成的结构示意图；

其中：

1、马赫-泽得时延干涉仪；           2、输入波导；

3、90度混频器；                   4、输出波导；

5、石英半波片；                    6、模场转换器；

7、热敏电阻；                      8、热电致冷器TEC；

9、第一加热器；                   10、第二加热器；

11、第三加热器；                  12、第一耦合器；

13、第二耦合器；                  14、第三耦合器；

15、第四耦合器；                  16、第五耦合器；

Taper:锥形波导；                   PSW：周期性分段波导；

SWT：锥形分段波导；              CW：连接波导；

D：两波导间距离； 　             Zc：波导特征长度；

θ：发散全角；                   a：波导宽度；

λ：光波长。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的一种平面光波导型差分正交相移键控解调器做出详细说明。

本发明是在平面光波导型差分正交相移键控解调器中的马赫－泽得时延干涉仪的两臂均设置石英半波片5以及对称于石英半波片5的一对模场转换器6，石英半波片5放置在模场转换器较大模场一侧的未端的波导开槽中。本发明的平面光波导型差分正交相移键控解调器具体结构如图1所示，其中对称于石英半波片的模场转换器结构示意图参见图6。

平面光波导型差分正交相移键控解调器包括平面光波导芯片、热敏电阻、TEC，平面光波导芯片包括输入波导2、马赫－泽得时延干涉仪1（Mach-Zehnder Delayline Interferometer, MZDI）和90度混频器3、第一加热器9、第二加热器10、第三加热器11、输出波导4。马赫－泽得时延干涉仪包括一个耦合器和两个长臂不等的干涉仪两臂，干涉仪两臂长度差可以产生一个波特周期的时延。90度混频器包括有四个耦合器和四个波导臂。所述第一加热器9和第二加热器10分别设置于马赫－泽得时延干涉仪的任意一个臂，第三加热器11设置于90度混频器3中的四个波导臂中的任意臂上。热敏电阻7设置于平面光波导芯片上，热电致冷器TEC 8设置于平面光波导芯片的下方。

模场转换器是用来扩大或缩小波导内传输模场直径的一种特殊结构的波导，本发明采用的模场转换器的结构主要有以下几种方案：   

第一种方案是：模场转换器采用锥形波导，通过逐渐增加波导的尺寸大小来增大模场直径，其结构参见图7，锥形波导是限制光传输的波导，其折射率为n1，其周围区域是包层，包层的折射率为n2。沿光传输的方向波导尺寸逐渐增大，其内传输的模场直径也会增大。这种锥形波导的模场转换器结构的最大优点就是制造简单，但它有以下几个缺点：虽然增大波导尺寸，传输的模场尺寸会增大，但同时包层结构会变大，另外，模式的有效折射率会随着波导宽度的增大而增加，从而对光场的限制会增强。这两种效应的存在导致模场尺寸并不随波导尺寸单调变化，而是会在某点出现一个最小值；这种锥形波导深度很难改变，只改变波导宽度而不改变波导深度会使波导的模场变成一个椭圆模场，这与光纤处的圆形模场很难匹配；这种尺寸增大的锥形波导结构会出现多模，这是必须要避免的。

模场转换器还可以采用沿光传输的方向波导尺寸逐渐减小的锥形波导，其结构参见图8，锥形波导区域采用限制光传输的波导，其折射率为n1，锥形波导周围区域为包层，其折射率为n2。这种锥形波导结构中，减小波导尺寸实际上是减小有效的折射率，模场受到的限制减小，因此模场直径会增大。这种锥形结构的优点是侧边和垂直方向的模场都可以增大，并且不会出现多模情况。缺点是技术上的问题，需要精确控制波导尺寸。波导尺寸一点点的不准确将会导致模场尺寸很大的变化。

第二种方案：可以采用分段波导来增大模场直径，分段波导结构是由许多小段波导及包层交替形成，小段波导的折射率为n1，包层的折射率为n2（n1＞n2），主要包括三个关键参数：小段波导的长度、小段波导的宽度及相邻小段波导之间的间隔。如果分段波导的三个关键参数为不变的常量，那么这种分段波导定义为周期性分段波导(PSW, periodically segmented waveguide）；如果分段波导的三个关键参数中的一个或多个为变化的变量，那么这种分段波导定义为锥形分段波导(SWT, segmented waveguide taper）。

周期性分段波导(PSW, periodically segmented waveguide），其结构示意图可以参见图9，构成整个分段波导的各个小段波导的宽度不变、各个小段波导的长度不变、相邻小段波导之间的间隔不变，周期性分段波导PSW在沿光传播的波导轴线方向上呈现有规律的周期性变化。

锥形分段波导SWT（segmented waveguide taper）按照构成锥形分段波导的小段波导的长度、小段波导的宽度及相邻小段波导之间的间隔的变化规律可以分为以下几种： 

1. 构成锥形分段波导的小段波导的宽度不变、小段波导的长度逐渐减小，相邻小段波导之间的间隔逐渐增大，其结构示意图可以参见图10。

2. 构成锥形分段波导的小段波导的宽度不变、小段波导的长度不变，相邻小段波导之间的间隔逐渐增大，其结构示意图可以参见图11。

3. 构成锥形分段波导的小段波导的宽度逐渐增大、小段波导的长度逐渐减小，相邻小段波导之间的间隔逐渐增大，其结构示意图可以参见图12。

4. 构成锥形分段波导的小段波导的宽度逐渐增大、小段波导的长度不变，相邻小段波导之间间隔逐渐减小，其结构示意图可以参见图13。

5. 构成锥形分段波导的小段波导的宽度不变、小段波导的长度不变，相邻小段波导之间逐渐减小，其结构示意图可以参见图14。

从等效波导定理可知，以上提及的几种锥形分段波导结构可以等效为轴向方向折射率逐渐减小的连续波导，因此在宽度和深度方向上模场尺寸都在增加。这种结构具有两个优点：其一是通过锥形分段波导SWT占空比和波导宽度这两个参数来控制模场尺寸大小更容易实现；其二是分段波导中不会出现高阶模。分段波导占空比是指小段波导的长度除以与之相邻的小段波导之间的间隔长度。

从事本领域的技术人员很容易理解，本发明的模场转换器还可以是上文提及的几种模场转换器的组合，即锥形波导Taper、周期性分段波导PSW、锥形分段波导SWT的任意组合,或者是锥形波导Taper、周期性分段波导PSW、锥形分段波导SWT、连续波导CW之间的任意组合，以上组合设计只要能达到模场转换的效果即可。具体组合举例如下：

此组合可以是PSW＋CW、SWT＋CW、Taper＋CW，如图15、图16、图17、图18、图19、图20、图21所示。

此组合可以是PSW＋SWT、SWT＋PSW，如图22、图23、图24、图25所示。

此组合可以是PSW＋SWT＋CW，如图26所示。

以上组合中增加连续波导CW的作用是可以保持模场转换器输出的模场直径大小。当模场转换器使用Taper、PSW、SWT中的一种的情况，石英半波片放置在Taper、PSW、SWT较大模场一侧的末端；当模场转换器使用Taper、PSW、SWT、CW的多种结构的组合情况，石英半波片放置在组合模场转换器最大模场处。举例，当模场转换器采用的组合是 PSW＋CW＋PSW时，石英半波片放置于组合模场转换器的最大模场处，即PSW的未端波导开槽中。

另外在靠近石英半波片的模场转换器未端旁增加连续波导CW，石英半波片放置于该连续波导CW的开槽中，这样可以避免当用于放置石英半波片的切缝过大时，破坏模场转换器的结构而影响其效果。

现有技术的平面光波导型差分正交相移键控解调器中马赫－泽得时延干涉仪的两个干涉臂全部是由连续波导组成，而本发明中的马赫－泽得时延干涉仪的两个干涉臂上带有Taper、PSW、SWT中的一种模场转换结构或多种模场转换结构的组合，也可以是Taper、PSW、SWT中的一种模场转换结构或多种模场转换结构再加CW的组合。两者制作工艺完全相同，唯一不同的是制作芯片的掩膜板上的图案不一样。制作现有技术中的马赫－泽得时延干涉仪的掩膜板上，构成两个干涉臂的图案为CW，而制作本发明中的带有模场转换结构的马赫－泽得时延干涉仪的掩膜板上，构成其两个干涉臂的图案为Taper、PSW、SWT中的一种波导结构或多种波导结构的组合，也可以是Taper、PSW、SWT中的一种波导结构或多种波导结构再加CW的组合结构。

如果仍然采用现有技术的普通单模波导，并采用91微米厚的石英晶体半波片来降低平面光波导型器件的偏振相关性时，那么开槽宽度必须大于91微米，远大于波导的特征长度，这样器件的附加损耗会高达5dB。采用本发明的石英波片的两侧增加了模场转换器,可以扩大入射到波片的光斑尺寸，使发散角较小，能够大大降低附加损耗至0.5dB。

本发明的一种平面光波导型差分正交相移键控解调器的工作过程具体如下，任意偏振态入射的DQPSK光信号首先被第一耦合器分成功率相等的两个支路，这两个支路分别进入马赫－泽得时延干涉仪的两臂中，然后经过第二耦合器、第三耦合器，最后分别在第四耦合器、第五耦合器处相遇，从而发生干涉。如果携带信息的两相邻码元的光载波发生相长干涉，那么光功率从干涉仪的其中一个端口输出；反之，如果光载波发生相消干涉, 那么光功率从干涉仪的另一个端口输出。因此，干涉的结果使得干涉仪两个输出端口携带了功率相同，但逻辑上相反的光信号，从而实现了相位调制到幅度调制的转换，即解调制。第三加热器是90度加热器，第三加热器使得进入第四耦合器、第五耦合器的光之间有π/2的相位差，也可以称为I支路与Q支路，在传输谱线上表现为，I支路的两路互补的输出光谱I1与I2与Q支路的两路互补的输出光谱Q1与Q2在频域上错开1/4 FSR，具体参见图2。

本发明采用普通的石英半波片、在放置波片的两侧波导中增加模场转换器，从而实现低附加损耗、偏振无关的特性。虽然本发明已经详细地示出并描述了相关的特定的实施例参考，但本领域的技术人员能够应该理解，在不背离本发明的精神和范围内可以在形式上和细节上作出各种改变。这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种平面光波导型差分正交相移键控解调器，包括有由马赫-泽得时延干涉仪组成的平面光波导芯片，其特征在于：所述马赫－泽得时延干涉仪的两臂均设置有石英半波片以及对称于石英半波片的模场转换器。

2.如权利要求1所述的一种平面光波导型差分正交相移键控解调器，其特征在于：所述模场转换器为锥形波导Taper、分段波导的单一体或其组合体，且所述石英半波片放置于模场转换器较大模场一侧的未端的波导开槽中。

3.如权利要求2所述的一种平面光波导型差分正交相移键控解调器，其特征在于：所述的锥形波导Taper采用沿光传输方向波导尺寸逐渐减小的锥形波导Taper或者沿光传输方向波导尺寸逐渐增大的锥形波导Taper。

4.如权利要求2所述的一种平面光波导型差分正交相移键控解调器，其特征在于：所述分段波导为沿辐射传播方向呈周期变化的周期性分段波导PSW或者为沿辐射传播方向呈非周期变化的锥形分段波导SWT。

5.如权利要求2所述的一种平面光波导型差分正交相移键控解调器，其特征在于：所述模场转换器为锥形波导Taper、周期性分段波导PSW、锥形分段波导SWT的任意组合。

6.如权利要求1所述的一种平面光波导型差分正交相移键控解调器，其特征在于：所述模场转换器为锥形波导Taper、周期性分段波导PSW、锥形分段波导SWT、连续波导CW的任意组合，且所述石英半波片放置于所述模场转换器较大模场一侧的未端的波导开槽中。

7.如权利要求1所述的一种平面光波导型差分正交相移键控解调器，其特征在于：所述模场转换器较大模场一侧的未端设置有连续波导CW，所述石英半波片放置于该连续波导CW的开槽中。

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