CN103091782B

CN103091782B - 一种带有偏振控制的阵列波导光栅模块

Info

Publication number: CN103091782B
Application number: CN201310024634.6A
Authority: CN
Inventors: 戴道锌
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-01-23
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2033-01-23
Also published as: CN103091782A

Abstract

本发明公开了一种带有偏振控制的阵列波导光栅模块。输入波导与偏振分束-旋转器的输入端相连，两个输出端并分别通过第一、第二连接波导与各自第一、第二平板波导相连接，在第一、第二平板波导之间连接有一组阵列波导，第一输出波导组中的每条输出波导的一端为输出端口，而另一端与第一平板波导相连且位于第一连接波导的同一侧，第二输出波导组中的每条输出波导的一端为输出端口，而另一端与第二平板波导相连且位于第二连接波导的同一侧。本发明仅需制作阵列波导光栅的标准工艺，可作波分复用系统中的偏振不敏感接收模块，或波分复用-偏振复用的混合复用系统接收与发射模块。

Description

一种带有偏振控制的阵列波导光栅模块

技术领域

本发明涉及一种平面光波导集成器件，尤其是涉及一种带有偏振控制的阵列波导光栅模块。

背景技术

众所周知，光作为载波在长距离通信已经取得巨大成功，并正在向短距离光通信范畴推进，如光纤到户（FTTH）、光互连等系统。在这些光通信系统中，为了获得更大数据传输量，人们已经发展了多种复用技术，包括波分复用、偏振复用、时分复用等。

其中，波分复用（WDM）技术在长距离光纤通信中已经取得巨大成功，其核心器件是波分复用-解复用器件，而其中最具代表性的便是阵列波导光栅。传统的阵列波导光栅依次由输入波导、输入平板波导、阵列波导、输出平板波导和输出波导连接组成，复合光从输入波导入射，进入平板波导并发散传输，然后耦合到波导阵列中的各条波导。相邻阵列波导存在一定光程差，从而对各波长的光产生不同的位相差，实现光栅的色散功能。经过输出平板波导后，不同波长的光会聚于阵列波导光栅像面上的不同点，然后再耦合到对应位置的输出波导，即可将不同波长的光从不同输出波导输出，实现了不同波长的光的分离，这就是波分解复用的功能。反过来，就可以实现波分复用功能。

由于光波导中普遍存在双折射效应，即两个正交偏振模（横电模和横磁模）的有效折射率不相等，阵列波导光栅等波分复用器件通常存在偏振相关效应，其各个通道的中心波长与入射偏振态相关。因此，当入射光偏振态发生随机变化时，波分复用器件的输出发生波动。这在光纤通信系统中将降低信噪比从而增大误码率。因此，在实际应用中，如何消除器件偏振相关性，从而获得偏振不敏感波分复用器件及接收模块是一个非常重要的研究课题。在基于大截面光波导的传统阵列波导光栅波分复用器件中，其中心通道波长有一定的偏振敏感性，而其通道间隔几乎偏振不敏感。针对这一特点，已有多种偏振补偿技术实现偏振不敏感特性：（1）利用高温退火技术，引入应力补偿【Opt. Express 15, 15022-15028， 2007】；（2）在输入端引入偏振分束技术【Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2: 236-250, 1996】；（3）在阵列波导光栅中部引入半波片【IEEE Photon. Technol. Lett. 6（5）: 626-628, 1994】；（4）在平板波导区域引入三角形浅刻蚀区【Electron. Lett. 35（9）: 737-738, 1999】。但这些补偿技术都只能实现中心通道波长偏振不敏感，且需要增加额外的工艺、或特殊的部件（如半波片）。近年来，硅纳米线光波导以其超紧凑结构的特点逐渐受到人们重视。而硅纳米线光波导的双折射极为显著，以致于基于硅纳米线的阵列波导光栅器件具有极为严重的偏振相关效应。其特点是：通道间隔、中心波长均具有显著的偏振敏感性。这与基于大截面光波导的传统阵列波导光栅器件有显著区别。注意到此前提出的用于基于大截面光波导的传统阵列波导光栅器件的那些偏振补偿技术往往仅能消除中心波长的偏振相关性，因此不适用于硅纳米线阵列波导光栅器件。近几年，人们不断努力积极探索适用于硅纳米线阵列波导光栅器件的偏振补偿新方法，主要有以下几种：（1）利用二维光子晶体垂直耦合光栅的偏振分束、旋转、耦合功能，将入射的两个偏振态的光分离并耦合到两个方向的硅纳米线的TE模，同时利用阵列波导光栅的双向性，实现了偏振不敏感的硅纳米线波导【Optics Express, 15（4）: 1567-1578, 2007】，此方法虽然比较巧妙，但仅适用于输入、输出都与光纤直接垂直耦合的情形，具有很大的局限性，不适合于与片上其它器件集成；（2）发明人几年前提出的方法：在反射式阵列波导光栅的阵列波导中引入光栅型在线式偏振分束器，通过对TE、TM模引入不同的光程来实现偏振不敏感器件，此方法不引入额外工艺，能达到较好的补偿效果，但需要在制作过程中对波导尺寸进行较为精确的控制【IEEE Journal of Quantum Electronics, 45（6）: 654-660, 2009】；（3）国家发明专利“一种阵列波导光栅实现均匀偏振补偿的方法”（ZL）是通过引入特殊形状的平板波导区域来补偿器件偏振敏感性，但存在工艺容差小、不适用于N×N阵列波导光栅、也不适合于大通道数情况等缺点。由此可见，实现偏振不敏感阵列波导光栅波分复用器件及模块仍是一项具有挑战性的工作。

此外，对于波分复用系统，多路激光器或可调谐激光器等价格昂贵的元件或模块必不可少，且这些激光器中心波长的调谐、对准等都需要很多额外复杂的硬件和软件，当通道数进一步增加时，波分复用系统的成本将相应提高。因此，亟需发展新的复用技术，从而在获得超高通信数据容量的同时，降低该复用系统的成本。而利用偏振复用技术可以比较方便地将通信容量增加一倍，同时不增加激光器数量，这引起了不少关注。因此，发展一种混合复用技术从而将波分复用与偏振复用综合利用不失为一种有效途径。为了满足基于波分复用-偏振复用的混合复用系统的需求，新型复用-解复用接收与发射模块必不可少，但目前尚未见有相关报道。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种带有偏振控制的阵列波导光栅模块。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括输入波导、偏振分束-旋转器、第一连接波导、第二连接波导、第一平板波导、第二平板波导、一组阵列波导、包含有N条输出波导的第一输出波导组、包含有N条输出波导的第二输出波导组；输入波导与偏振分束-旋转器的输入端相连，偏振分束-旋转器的两个输出端并分别通过第一连接波导、第二连接波导与各自第一平板波导、第二平板波导相连接，在第一平板波导与第二平板波导之间连接有一组阵列波导，第一输出波导组中的每条输出波导的一端为输出端口，而另一端与第一平板波导相连且位于第一连接波导的同一侧，第二输出波导组中的每条输出波导的一端为输出端口，而另一端与第二平板波导相连且位于第二连接波导的同一侧；偏振分束-旋转器将入射到输入波导的具有正交偏振态的两组光分开，且使其中一组光的偏振态发生旋转而转变为其对应的正交偏振态，最终两组具有相同偏振态的光分别从第一连接波导、第二连接波导输出；所述输入波导、输出波导是可逆的。

所述第一输出波导组中的第n条输出光波导、第二输出波导组中的第n条输出光波导的输出端分别连接到光探测器组中的第n个光探测器的两端，n=1，2，…，N。

所述第一输出波导组中的第n条输出波导的输出端还各自与包含有N个光探测器的第一光探测器组中的第n个光探测器相连，第二输出波导组中的第n条输出波导的输出端还各自与包含有N个光探测器的第二光探测器组中的第n个光探测器相连，n=1，2，…，N。

第一输出波导组中的第n条输出光波导的输出端与第一光调制器组中的第n个光调制器一端相连，第二输出波导组中的第n条输出光波导的输出端与第二光调制器组中的第n个光调制器一端相连，第一光调制器组中的第n个光调制器的另一端与第二光调制器组中的第n个光调制器的另一端连接到功分器组中第n个功分器的两个输出端，功分器组中第n个功分器的输入端与激光器组中第n个激光器的输出端相连，n=1，2，…，N。

本发明具有的有益效果是：

本发明具有结构简单、设计方便，不需要对输入平板波导、输出平板波导、阵列波导等部分做任何特殊的设计，且适用于适合于大通道数情况；亦未引入额外的复杂工艺，仅需制作阵列波导光栅的标准工艺；可用作波分复用系统中的偏振不敏感接收模块，也可用于波分复用-偏振复用的混合复用系统接收与发射模块，使通信容量增加一倍而不增加激光器数量。

附图说明

图1是本发明带有偏振控制的阵列波导光栅模块示意图。

图2是本发明带有偏振控制的阵列波导光栅接收模块，用于偏振不敏感波分复用。

图3是本发明带有偏振控制的阵列波导光栅接收模块，用于偏振复用-波分复用混合复用系统。

图4是本发明带有偏振控制的阵列波导光栅发射模块，用于偏振复用-波分复用混合复用系统。

图5是偏振分束－旋转器。

图6是所设计带有偏振控制的阵列波导光栅的频谱响应曲线。

图中：1、一条输入波导，2、偏振分束-旋转器，3a、第一连接波导，3b、第二连接波导，4a、第一平板波导，4b、第二平板波导，5、一组阵列波导，6a、包含有N条输出波导的第一输出波导组，6b、包含有N条输出波导的第二输出波导组，7、光探测器组，7a、包含有N个光探测器的第一光探测器组，7b、包含有N个光探测器的第二光探测器组，8a、第一光调制器组，8b、第二光调制器组、9、功分器组，10、激光器组。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括输入波导1、偏振分束-旋转器2、第一连接波导3a、第二连接波导3b、第一平板波导4a、第二平板波导4b、一组阵列波导5、包含有N条输出波导的第一输出波导组6a、包含有N条输出波导的第二输出波导组6b；输入波导1与偏振分束-旋转器2的输入端相连，偏振分束-旋转器2的两个输出端并分别通过第一连接波导3a、第二连接波导3b各自与第一平板波导4a、第二平板波导4b相连接，在第一平板波导4a与第二平板波导4b之间连接有一组阵列波导5，第一输出波导组6a中的每条输出波导的一端为输出端口，而另一端与第一平板波导4a相连且位于第一连接波导3a的同一侧，第二输出波导组6b中的每条输出波导的一端为输出端口，而另一端与第二平板波导4b相连且位于第二连接波导3b的同一侧；偏振分束-旋转器2将入射到输入波导1的具有正交偏振态的两组光分开，且使其中一组光的偏振态发生旋转而转变为其对应的正交偏振态，最终两组具有相同偏振态的光分别从第一连接波导3a、第二连接波导3b输出；所述输入波导、输出波导是可逆的。

如图2所示，所述第一输出波导组6a中的第n条输出光波导、第二输出波导组6b中的第n条输出光波导的输出端分别连接到光探测器组7中的第n个光探测器的两端，n=1，2，…，N。这种结构可用于偏振不敏感波分复用系统的接收模块。

如图3所示，所述第一输出波导组6a中的第n条输出波导的输出端还各自与包含有N个光探测器的第一光探测器组7a中的第n个光探测器相连，第二输出波导组6b中的第n条输出波导的输出端还各自与包含有N个光探测器的第二光探测器组7b中的第n个光探测器相连，n=1，2，…，N。这种结构可用于偏振复用-波分复用混合复用系统的接收模块。

如图4所示，第一输出波导组6a中的第n条输出光波导的输出端与第一光调制器组8a中的第n个光调制器一端相连，第二输出波导组6b中的第n条输出光波导的输出端与第二光调制器组8b中的第n个光调制器一端相连，第一光调制器组8a中的第n个光调制器的另一端与第二光调制器组8b中的第n个光调制器的另一端连接到功分器组9中第n个功分器的两个输出端，功分器组9中第n个功分器的输入端与激光器组10中第n个激光器的输出端相连，n=1，2，…，N。这种结构可用于偏振复用-波分复用混合复用系统的发射模块。

本发明的工作过程为：

1. 对于本发明带有偏振控制的阵列波导光栅模块的实施例。

偏振态分别为TE、TM的两组光信号从同一条输入波导1入射，每一组光信号为包含有中心波长为λ₁、λ₂、λ₃、…、λ_N的N路光信号。经过偏振分束-旋转器2之后，偏振态为TE的一组入射光信号输出到第一连接波导3a，进入到第一平板波导4a并发散传输，然后耦合到阵列波导5，经由阵列波导5后，进入到第二平板波导4b。由于阵列波导的色散，不同波长的光聚焦第二平板波导4b末端的不同位置，波长为λ_n的光信号耦合到到第二输出波导组6b中的第n个输出波导。偏振态为TM的另一组入射光信号转化为TE偏振并输出到第二连接波导3b，进入到第二平板波导4b并发散传输，然后耦合到阵列波导5，经由阵列波导5后，进入到第一平板波导4a。由于阵列波导的色散，不同波长的光聚焦第一平板波导4a末端的不同位置，波长为λ_n的光信号耦合到到第一输出波导组6a中的第n个输出波导。

由此可见，从同一输入光波导入射的偏振态分别为TE、TM的两组光信号（各自包含有中心波长为λ₁、λ₂、λ₃、…、λ_N的N路光信号）最后分别从第二输出波导组6b的N条输出波导、第一输出波导组6a的N条输出波导输出。

2. 对于本发明带有偏振控制的阵列波导光栅接收模块的实施例，用于偏振不敏感波分复用。

从输入波导1入射的光信号为包含有中心波长为λ₁、λ₂、λ₃、…、λ_N的N路光信号，每路光信号均含有TE、TM两种偏振态。偏振态为TE的一组入射光信号经过偏振分束-旋转器2之后，输出到第一连接波导3a，进入到第一平板波导4a并发散传输，然后耦合到阵列波导5，经由阵列波导5后，进入到第二平板波导4b。由于阵列波导的色散，不同波长的光聚焦第二平板波导4b末端的不同位置，波长为λ_n的光信号耦合到到第二输出波导组6b中的第n个输出波导，最后被光探测器组7中的第n个光探测器接收，n=1，2，…，N。

偏振态为TM的另一组入射光信号经过偏振分束-旋转器2之后转化为TE偏振并输出到第二连接波导3b，进入到第二平板波导4b并发散传输，然后耦合到阵列波导5，经由阵列波导5后，进入到第一平板波导4a。由于阵列波导的色散，不同波长的光聚焦第一平板波导4a末端的不同位置，波长为λ_n的光信号耦合到到第一输出波导组6a中的第n个输出波导，最后被光探测器组7中的第n个光探测器接收，n=1，2，…，N。

由此可见，由同一个波长（λ_n）的两个偏振态携带的光信号最后被同一个光探测器（第n个）所接收。

3.对于本发明带有偏振控制的阵列波导光栅接收模块的实施例，用于偏振复用-波分复用混合复用系统。

从输入波导1入射的光信号为包含有中心波长为λ₁、λ₂、λ₃、…、λ_N的N路光信号，每路光信号均含有TE、TM两种偏振态。偏振态为TE的一组入射光信号经过偏振分束-旋转器2之后，输出到第一连接波导3a，进入到第一平板波导4a并发散传输，然后耦合到阵列波导5，经由阵列波导5后，进入到第二平板波导4b。由于阵列波导的色散，不同波长的光聚焦第二平板波导4b末端的不同位置，波长为λ_n的光信号耦合到到第二输出波导组6b中的第n个输出波导，最后被第二光探测器组7b中的第n个光探测器接收，n=1，2，…，N。

偏振态为TM的另一组入射光信号经过偏振分束-旋转器2之后转化为TE偏振并输出到第二连接波导3b，进入到第二平板波导4b并发散传输，然后耦合到阵列波导5，经由阵列波导5后，进入到第一平板波导4a。由于阵列波导的色散，不同波长的光聚焦第一平板波导4a末端的不同位置，波长为λ_n的光信号耦合到到第一输出波导组6a中的第n个输出波导，最后被第一光探测器组7a中的第n个光探测器接收，n=1，2，…，N。

由此可见，同一个波长（λ_n）的两个偏振态携带的光信号最后分别被第二光探测器组7b和第一光探测器组7a中各自的第n个光探测器接收，n=1，2，…，N，共有2N个通道的信号被接收。

4. 对于本发明带有偏振控制的阵列波导光栅发射模块的实施例，用于偏振复用-波分复用混合复用系统。

从激光器组10中N个激光器的输出端各自发射一个波长的光，其波长分别为λ₁、λ₂、λ₃、…、λ_N。第n个激光器发出的光经过功分器组9中的第n个功分器后分为两束，它们各自输入到第一光调制组8a的第n个光调制器、第二光调制组8b的第n个光调制器分别进行调制。由第一光调制组8a中N个光调制器所调制后的光信号耦合到第一输出波导组6a，并历经第一平板波导4a、阵列波导5、第二平板波导4b后，汇聚至第二连接波导3b；而由第二光调制组8b中N个光调制器所调制后的光信号耦合到第二输出波导组6b，并历经第二平板波导4b、阵列波导5、第一平板波导4a后，汇聚至第一连接波导3a。从第二连接波导3b、第一连接波导3a输出的两组信号再通过偏振分束-旋转器2后，其中有一组信号的偏振态发生旋转，最后两组具有不同偏振态的光信号会合至输入波导1。

由此可见，最后会合于输入波导1的是两组具有不同偏振态的光信号，每组光信号有N个通道，形成共有2N个通道的偏振复用-波分复用的混合复用光发射模块。

下面给出一个带有偏振控制的阵列波导光栅模块的具体实施例。

在此，选用基于硅绝缘体（SOI）材料的硅纳米线光波导：其芯层是硅材料，厚度为220nm、折射率为3.4744；其下包层材料是SiO₂，厚度为2μm、折射率为1.4404；其包层为空气，折射率为1.0。

N×N阵列波导光栅的相关参数为：N=8，通道间隔∆λ_ch=1.6nm，相邻阵列波导长度差为40μm，输入平板波导、输出平板波导的长度均为L=52μm，输入光波导、阵列波导以及输出波导宽度均为500nm。

对于如图5所示的偏振分束-旋转器，其模式转换区的输入端宽度、输出端宽度分别为W_1i=0.6μm、W_2i=0.9μm，其长度L_tpi=50μm；第一光波导、第二光波导的宽度分别为W_2i=0.9μm、W_3i=0.41μm，非对称方向耦合器的耦合区域长度L _dci=10μm。数值仿真表明：入射光为横电TE基模时，经过偏振分束-旋转器后从第一光波导输出，仍然为横电TE基模；而入射光为横磁TM基模时，经过偏振分束-旋转器后从第二光波导输出，为横电TE基模。

所设计带有偏振控制的阵列波导光栅的频谱响应曲线的计算模拟结果如图6所示，共有8个通道（N=8），其中心波长各自为λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅、λ₆、λ₇、λ₈，通道间隔为1.6nm。图中实线为偏振态为TE偏振的一组光信号，从第二输出波导组输出；而虚线偏振态为TM偏振的一组光信号，从第一输出波导组输出。由此可见，本发明的带有偏振控制的阵列波导光栅可将入射的两组偏振态不同的光分开，分别耦合到左右两侧的输出波导组，并且各组内不同波长的光从输出波导组中的相应输出波导中输出。

在每条输出波导末端各自连接上一个光探测器，则构成了带有偏振控制的阵列波导光栅接收模块，可用于偏振复用-波分复用混合复用系统。

将第一输出波导组中的第n个输出波导、第二输出波导组的第n个输出波导分别连接到同一个光探测器的两端，则构成了带有偏振控制的阵列波导光栅接收模块，具有对入射光信号的偏振态不敏感的特性。

将第一输出波导组6a中的第n条输出光波导的输出端与第一光调制器组8a中的第n个光调制器一端相连，第二输出波导组6b中的第n条输出光波导的输出端与第二光调制器组8b中的第n个光调制器一端相连，用于接收调制的光信号，第一光调制器组8a中的第n个光调制器的另一端与第二光调制器组8b中的第n个光调制器的另一端连接到功分器组9中第n个功分器的两个输出端，功分器组9中第n个功分器的输入端与激光器组10中第n个激光器的输出端相连，构成了带有偏振控制的阵列波导光栅发射模块，可用于偏振复用-波分复用混合复用系统。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种带有偏振控制的阵列波导光栅模块，其特征在于：包括输入波导（1）、偏振分束-旋转器（2）、第一连接波导（3a）、第二连接波导（3b）、第一平板波导（4a）、第二平板波导（4b）、一组阵列波导（5）、包含有N条输出波导的第一输出波导组（6a）、包含有N条输出波导的第二输出波导组（6b）；输入波导（1）与偏振分束-旋转器（2）的输入端相连，偏振分束-旋转器（2）的两个输出端分别通过第一连接波导（3a）、第二连接波导（3b）各自与第一平板波导（4a）、第二平板波导（4b）相连接，在第一平板波导（4a）与第二平板波导（4b）之间连接有一组阵列波导（5），第一输出波导组（6a）中的每条输出波导的一端为输出端口，而另一端与第一平板波导（4a）相连且位于第一连接波导（3a）的同一侧，第二输出波导组（6b）中的每条输出波导的一端为输出端口，而另一端与第二平板波导（4b）相连且位于第二连接波导（3b）的同一侧；偏振分束-旋转器（2）将入射到输入波导（1）的具有正交偏振态的两组光分开，且使其中一组光的偏振态发生旋转而转变为其对应的正交偏振态，最终两组具有相同偏振态的光分别从第一连接波导（3a）、第二连接波导（3b）输出；所述输入波导、输出波导是可逆的。

2.根据权利要求1所述的一种带有偏振控制的阵列波导光栅模块，其特征在于：所述第一输出波导组（6a）中的第n条输出光波导、第二输出波导组（6b）中的第n条输出光波导的输出端分别连接到光探测器组（7）中的第n个光探测器的两端，n=1，2，…，N。

3.根据权利要求1所述的一种带有偏振控制的阵列波导光栅模块，其特征在于：所述第一输出波导组（6a）中的第n条输出波导的输出端还各自与包含有N个光探测器的第一光探测器组（7a）中的第n个光探测器相连，第二输出波导组（6b）中的第n条输出波导的输出端还各自与包含有N个光探测器的第二光探测器组（7b）中的第n个光探测器相连，n=1，2，…，N。

4.根据权利要求1所述的一种带有偏振控制的阵列波导光栅模块，其特征在于：第一输出波导组（6a）中的第n条输出光波导的输出端与第一光调制器组（8a）中的第n个光调制器一端相连，第二输出波导组（6b）中的第n条输出光波导的输出端与第二光调制器组（8b）中的第n个光调制器一端相连，第一光调制器组（8a）中的第n个光调制器的另一端与第二光调制器组（8b）中的第n个光调制器的另一端连接到功分器组（9）中第n个功分器的两个输出端，功分器组（9）中第n个功分器的输入端与激光器组（10）中第n个激光器的输出端相连，n=1，2，…，N。