CN102904648A - 可调相干探测器结构 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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1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4×4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4×4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2×4多模相干耦合器和一个2×2耦合器组成,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:
1.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;其中,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2×4多模相干耦合器与2×2多模相干耦合器连接处的上方;该两根输入波导连接于该2×4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。
所述2×4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2×4多模相干耦合器的输入端的两个缘边1/3处。
所述2×4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2×4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2×4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2×4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2×4多模相干耦合器的中间。
所述2×2多模相干耦合器是基于成对干涉或一般干涉。
连接于所述2×4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2×4和2×2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。
附图说明
图1是现有技术中由3dB耦合器组成的90度光混合器示意图;
图2是现有技术中由4×4多模相干耦合器实现的90度光混合器示意图;
图3是现有技术中无交叉90度光混合器示意图;
图4是本发明可调相干探测器结构的结构示意图;
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1、一个2×4多模相干耦合器2、一个可调电极3、一个2×2多模相干耦合器4、四根输出波导5和两对平衡探测器6。上述各元件的位置关系是:该2×4多模相干耦合器2的输出端与2×2多模相干耦合器4输入端直接相连,可调电极3位于2×4多模相干耦合器2与2×2多模相干耦合器4连接处的上方;所述的两根输入波导1连接于2×4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2×4多模相干耦合器2的输出端,另外两根输出波导5连接于2×2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1为单模波导,2×4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I(包括I+与I-)信号(同步信号(in-phase signal))。当2×4多模相干耦合器2基于成对干涉时,两根输入波导1分别距离2×4多模相干耦合器2的输入端的两个缘边1/3处;当2×4多模相干耦合器2基于一般干涉时,两根输入波导1分别距离2×4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2×4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2×4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2×4多模相干耦合器2的中间。
本发明中的2×2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2×2多模相干耦合器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2×4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2×4多模相干耦合器2和2×2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1后的光场可分别表示为:
P S 、w S 、f S 和P L 、w L 、f L 分别为信号光和本振光的功率,角频率和相位。
2×4多模相干耦合器2、2×2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:
假设2×4多模相干耦合器2和2×2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:
其中j=q+3p/4,Dw=w S -w L ,Df(t)=f S (t)-f L (t)。
可以看出式(6)、式(7)表示一对I信号,式(8)、式(9)表示一对Q信号。比较I和Q信号,式(8)、式(9)式多一个因子j。若sinj=1,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。
Claims (8)
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;其中,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2×4多模相干耦合器与2×2多模相干耦合器连接处的上方;该两根输入波导连接于该2×4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。
2.如权利要求1所述的可调相干探测器结构,其特征在于,所述2×4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2×4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1所述的可调相干探测器结构,其特征在于,所述2×4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2×4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1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2×4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2×4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2×4多模相干耦合器的中间。
7.如权利要求1所述的可调相干探测器结构,其特征在于,所述2×2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1所述的可调相干探测器结构,其特征在于,连接于所述2×4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。
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