CN103091869B - 集成化的相干光通信用电光调制器结构 - Google Patents

Abstract

一种集成化的相干光通信用电光调制器结构，包括：一光分束器，其具有一个输入端，一个多模波导区和四个输出端，该四个输出端所输出光场光强相等，外侧的两个输出光场的相位与居中的两个输出光场的相位相差90度；四个电光调制器，其输入端与光分束器的四个输出端连接；两个光合束器，每一光合束器具有两个输入端，一个多模波导区和一个输出端，每一光合束器的输入端与四个电光调制器中一侧的两个电光调制器的输出端连接；一偏振旋转器，其输入端与一个光合束器的输出端连接；一偏振合束器，其一输入端与偏振旋转器的输出端连接，另一输入端与两个光合束器中另一个输出端连接。

Description

集成化的相干光通信用电光调制器结构

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，特别涉及一种集成化的相干光通信用电光调制器结构。

背景技术

近年来，随着高质量视频，社交网络服务及云存储等新业务的流行及高速大容量接入网的持续推动，电信网络对传输设备及通信链路的带宽需求呈现持续快速增长的态势。基于偏振复用的正交相移键控(DP-QPSK，Dual Polarization Quadrature PhaseShift Keying)调制格式的100G相干通信系统已经开始逐渐从实验室走向商用。更高速的下一代400G技术已经被业界普遍关注，使用具有更高光谱利用效率的高级调制格式已经成为普遍共识。其中，使用偏振复用的包含16种符号的正交幅度调制(DP16QAM，DualPolarization16Quadrature Amplitude Modulation)调制格式来实现400G传输已经被业界广泛认可。

在相干光通信系统各子系统中，光发送机的信号质量直接决定了传输系统的传输效率。而电光调制器是光发送机中最为重要的单元，其设计直接决定了发送机产生的光脉冲信号质量，从而影响通信系统的服务质量。相干光通信用电光调制器已不再是传统光强度调制-直接检波(IM-DD，Intensity Modulation-Direct Detection)光通信模式中传统马赫-曾德尔干涉型电光调制器那样的单元型器件，而是包含光分束器、90度相移器、马赫-曾德尔干涉型电光调制器、光合束器、偏振旋转器以及偏振合束器等诸多功能单元的复杂光学系统。由于利用了光信号的相位信息来进行信息的编解码，利用分立的体光学元件的组合来实现这一相干电光调制器系统是不现实的。这一方面是因为体光学元件的加工精度难以达到光波长量级，从而难以保证对其中传输的光波相位的精确控制。另一方面，体光学元件的长度远大于光波波长，环境中温度变化或振动等因素会很容易地改变其中所传播光信号的相位，从而使传输系统的信噪比恶化。

因此，对于相干光通信而言，集成化的电光调制器结构设计具有重要意义。这一方面是由于集成光学元件及其系统是依赖半导体加工工艺实现的，可以实现对器件几何参数的精确控制，从而保证对光波相位的精确控制。另一方面，由于集成化的电光调制器体积较小，外界温度变化所引起的相位变化较小；此外还可以通过集成温度控制单元或设计对称波导结构来降低器件的温度敏感性，从而使光发送机具有更稳定的工作特性。

近年来，集成光学得到了长足的发展。利用硅材料平台、磷化铟材料平台实现的集成光学元件与子系统均已在实验室实现或者得到初步商用。相干光通信用电光调制器所需的各个功能单元，包括光分束器、90度相移器、马赫曾德尔干涉型电光调制器、光合束器、偏振旋转器以及偏振合束器等诸多器件均有集成化方案被提出。

对于相干光通信用电光调制器设计而言，光学带宽是一个重要参数。高的光学带宽可以使器件具有波长不敏感性，大大降低了电光调制器对激光器波长稳定度的要求。同时该类电光调制器更加便于被应用于波分复用系统(WDM，Wavelength DivisionMultiplexing)中。在相干光通信用电光调制器的组成单元中，光分束器、光合束器、偏振旋转器及偏振合束器均有具有高光学带宽的器件结构被提出。而实现同相/正交电光调制器所必须的90度相移器目前还没有高光学带宽的集成化实现方案。这是由于传统的分立的90度相移器是一段折射率可调的直波导，它的相移特性与波长密切相关，难以实现高光学带宽特性。

公开于1997年的专利“Multimode interference couplers andmethodtherefor”(United States Patent5689597)描述了用于光通信的集成化的多模干涉耦合器的诸多优点，例如工艺容差大，偏振不敏感。该专利公布了一种利用改变多模干涉耦合器几何参数来改变输出光场强度与相位分布的方法。该方法主要用来解决多模干涉耦合器分光强度与相位固定的特点，并未提到用于实现同相/正交电光调制器。

公开于2007年的专利“High speed semiconductor waveguidephase-shifter”(United States Patent7308160)提出了一种通过改变半导体光波导中载流子浓度来改变其折射率，从而实现高速的相位移动的方法。该器件利用了硅波导中等离子色散效应，并指出了该方案具有与电光幅度调制器，衰减器等器件集成的潜力。但是该方案实现的相移量仍与光波波长相关，不具有高光学带宽特性。

公开于2001年的专利“Broadband phase shifting circuit havingtwo phaseshifter branches connected in parallel”(United StatesPatent6310502)提出了一种用于同相/正交电光调制器的相移器技术，它通过两级调节来实现预先确定的相位移动(比如90度)。由于该方案所调节相位的大小与输入光的波长相关，它需要通过实时调节才能实现高光学带宽相移特性。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种集成化的相干光通信用电光调制器结构，其光分束器在分光的同时实现所述电光调制器所需的90度相移功能，可以解决传统相干光通信用电光调制器中相移器的光学带宽低的问题，达到降低相干光通信中光发送机设计与实现难度的目的，具有体积小、功耗低、成本低及稳定性高的优点。

本发明提供一种集成化的相干光通信用电光调制器结构，包括：

一光分束器，其具有一个输入端，一个多模波导区和四个输出端，该四个输出端所输出光场光强相等，外侧的两个输出光场的相位与居中的两个输出光场的相位相差90度；

四个电光调制器，其输入端与光分束器的四个输出端连接；

两个光合束器，每一光合束器具有两个输入端，一个多模波导区和一个输出端，每一光合束器的输入端与四个电光调制器中一侧的两个电光调制器的输出端连接；

一偏振旋转器，其输入端与一个光合束器的输出端连接；

一偏振合束器，其一输入端与偏振旋转器的输出端连接，另一输入端与两个光合束器中另一个输出端连接。

本发明的突出优点是：它将相干光通信用电光调制器所必须的光功率分束与90度相移两项功能通过1×4多模干涉耦合器实现，使得相移单元具有高的光学带宽，从而使由其所构成的高级调制格式电光调制器可以更适应激光器的波长漂移，并更适于波分复用系统的应用需求。本方案所提出的集成化的相干光通信用电光调制器结构可以利用现成的半导体工艺技术进行制作，使得器件体积小，功耗低，成本低，稳定性高，便于与电学元件集成。本发明在未来相干通信系统中具有很好的应用前景。

附图说明

为进一步详细描述本发明的技术内容，以下通过实施例及附图详细说明如后，其中：

图1为本发明的结构示意图，其是以1×4多模干涉耦合器为光分束器的相干光通信用集成化电光调制器的结构图；

图2为图1中的光分束器，即1×4多模干涉耦合器的结构示意图；

图3为实现图2所示的1×4多模干涉耦合器的两种波导截面的结构图；

图4为确定1×4多模干涉耦合器参数的流程图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种集成化的相干光通信用电光调制器结构，包括：

一光分束器102，其具有一个输入端，一个多模波导区和四个输出端，该四个输出端所输出光场光强相等，外侧的两个输出光场的相位与居中的两个输出光场的相位相差90度，所述光分束器102由1×4多模干涉耦合器实现。所述多模干涉耦合器是由折射率差大于30％的材料制备。所述多模干涉耦合器的材料为硅与二氧化硅，便于利用微电子学工业中成熟的互补金属氧化物半导体(CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺进行器件的制备。

所述多模干涉耦合器的结构如图2所示。其中，201为多模干涉耦合器的输入端。202为多模干涉耦合器的多模波导区，其宽度为W，长度为L。203为多模干涉耦合器的输出端，四个输出端的间距为W_p。当一束相干光经输入波导201进入多模波导区202时，会在其中激发多个导模。这些导模互相干涉，结果会在多模波导区202中沿着光的传播方向周期性地出现入射光场的一个或多个重复映像。通过在特定的位置设置输出波导203，即可获得特殊的强度与相位分布。在本专利中，获得的是四束均匀强度的光场。它们分为分居两侧的两组，每组两束光的相位相差90度。

图3为实现图2所示的1×4多模干涉耦合器的两种波导截面结构。其中，图3(a)为条形波导结构，图3(b)为脊形波导结构。其中，301与305为衬底硅，其厚度Hsub一般为数百微米，由所采用的绝缘衬底上的硅(SOI，Silicon on insulator)材料晶片决定；302与306为埋层二氧化硅，其厚度需要足够厚以保证波导中的光场不泄露到衬底硅中，一般在2微米左右，它也是由所采用的绝缘衬底上的硅(SOI，Silicon on insulator)材料晶片决定的；303与307是由平面光刻工艺形成的硅波导结构，原始结构为与衬底硅平行的一层硅平板，厚度为H_wg，一般在数百纳米，经过光刻与刻蚀工艺后形成如图3中所示的波导截面。

图4给出了确定图2中多模干涉耦合器的三个参数(W、L、W_p)的步骤。首先确定四个输出波导203的间距W_p，它一般为若干微米，选择原则是它们之间不发生相互耦合。在确定W_p后，多模波导区202的宽度W等于4*W_p。波导的厚度是由所采用的半导体晶片决定的，即图3中的H_wg及H_slab。在波动的宽度与厚度确定之后，在其中所能传播的模式均可以确定。记其中可传输的最低阶的两个模式的传播常数为β₀与β₁，记L_π＝π/(β₀β₁)，它约等于(4*n*W²)/(3*λ)，其中n为波导的折射率，λ为工作波长。对于所述1×4多模干涉耦合器，输出波导位于3*L_π/16的位置，即图2中的L＝3*L_π/16。这样便可以获得四个等强度的光场分布，它们分为两组，每组内两路光信号的相位相差90度。

需要特别指出的是，尽管实现本专利所提出的1×4多模干涉耦合器的制备有多种材料体系可选择，但折射率差异越大，实际获得的四路光信号的相位差异越接近预期的90度。其中，硅与二氧化硅材料体系是理想的选择。

除上述光分束器102，图1所示的集成化的相干光通信用电光调制器结构还包含：

四个电光调制器104，其输入端与光分束器102的四个输出端连接，所述电光调制器104为马赫-曾德尔干涉型电光调制器，其可实现两组同相/正交调制；

两个光合束器106，每一光合束器106具有两个输入端，一个多模波导区和一个输出端，每一光合束器106的输入端与四个电光调制器104中一侧的两个输出端连接，所述光合束器106由2×1多模干涉耦合器实现，它也具有如图3所示的波导截面；

一偏振旋转器108，其输入端与一个光合束器106的输出端连接，所述偏振旋转器108将光合束器106输出的一组同相/正交光信号的偏振方向旋转90度；

一偏振合束器110，其一输入端与偏振旋转器108的输出端连接，另一输入端与两个光合束器106中另一个输出端连接，所述偏振合束器110将两个光合束器106输出的两组不同偏振态的同相/正交光信号进行偏振合束。

所述的偏振旋转器108与偏振合束器110均可以通过半导体平面工艺，利用具有特殊材料、波导截面及特定波导耦合结构的集成化光学元件来实现，所利用的是不同偏振方向的光在特定平面波导中传播特性的差异。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种集成化的相干光通信用电光调制器结构，包括：

一光分束器，其具有一个输入端，一个多模波导区和四个输出端，该四个输出端所输出光场光强相等，外侧的两个输出光场的相位与居中的两个输出光场的相位相差90度；

四个电光调制器，其输入端与光分束器的四个输出端连接；

两个光合束器，每一光合束器具有两个输入端，一个多模波导区和一个输出端，每一光合束器的输入端与四个电光调制器中一侧的两个电光调制器的输出端连接；

一偏振旋转器，其输入端与一个光合束器的输出端连接，该偏振旋转器将光合束器输出的一组同相/正交光信号的偏振方向旋转90度；

一偏振合束器，其一输入端与偏振旋转器的输出端连接，另一输入端与两个光合束器中另一个输出端连接，该偏振合束器将两个光合束器输出的两组不同偏振态的同相/正交光信号进行偏振合束。

2.根据权利要求1所述的集成化的相干光通信用电光调制器结构，其中光分束器由1×4多模干涉耦合器实现。

3.根据权利要求2所述的集成化的相干光通信用电光调制器结构，其中多模干涉耦合器是由折射率差大于30％的材料制备。

4.根据权利要求3所述的集成化的相干光通信用电光调制器结构，其中多模干涉耦合器的材料为硅与二氧化硅。

5.根据权利要求1所述的集成化的相干光通信用电光调制器结构，其中电光调制器为马赫-曾德尔干涉型电光调制器，其可实现两组同相/正交调制。

6.根据权利要求1所述的集成化的相干光通信用电光调制器结构，其中光合束器由2×1多模干涉耦合器实现。