CN104038291B - 一种集成解调接收器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成解调接收器，属于光电子器件领域。其包括偏振光干涉系统、光探测阵列和耦合器，所述光探测阵列位于偏振光干涉系统的出光侧，并将偏振光干涉系统的输出光通过耦合器耦合进光探测阵列；所述偏振干涉系统包括：延迟线干涉装置和置于延迟线干涉装置前端的偏振光发生组件、置于延迟线干涉装置后端的合光耦合组件，由光纤提供的光源经偏振光干涉系统后形成左右两束平行的输出光，通过耦合器耦合进入光探测阵列。本发明的集成解调接收器利用偏振态分光技术在整个C波段获得分光比保持50/50，有效地提高了消光比，提升了器件生产成品率，同时采用光学耦合技术集成干涉系统与接收系统，减小了封装尺寸，有利于小型化的发展。

Description

一种集成解调接收器

技术领域

本发明涉及一种集成解调接收器，属于光电子器件领域。

背景技术

在当今的光通讯10G系统中，常用解调器来降低由系统中色散及非线性效应带来的误码率。传统解调器由于采用镀膜分光50/50，这种方法很难将S偏振态和P偏振态的光同时分成50／50 ，而器件的PDFS（偏振相关频移）又受温度的影响很大，不容易控制，通常消光比很低，使得器件生产成品率低，另外，现有的调解器与接收器是两个分离的独立器件，由于温度、密封等要求，两者的进一步组合使得调解器封装尺寸过大，一般为48*19*8.5mm，不能满足光通讯器件的小型化发展需要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有解调器的不足，提供一种提升生产成品率、封装尺寸更小的集成解调接收器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种集成解调接收器，其包括偏振光干涉系统、光探测阵列和耦合器，所述光探测阵列位于偏振光干涉系统的出光侧，并将偏振光干涉系统的输出光通过耦合器耦合进光探测阵列；

所述偏振光干涉系统包括：

偏振光发生组件，所述偏振光发生组件输入端接入光纤信号源装置，所述偏振光发生组件包括光纤输入准直器、偏振分束器Ⅰ和设置在偏振分束器Ⅰ的出光侧的半波片，所述偏振分束器Ⅰ置于光纤输入准直器的出光侧，将输入光分成两束，形成上下分布且光轴方向垂直的两束线偏振光，所述半波片置于偏振分束器Ⅰ的上半部，并将方向垂直的两束线偏振光变成同光轴方向的两束上下分布的线偏振光；

延迟线干涉装置，置于偏振光发生组件的后端，所述延迟线干涉装置包括起偏器、偏振分束/合束器、四分之一波片、反射镜、检偏器、转向棱镜和偏振分束器Ⅱ，所述起偏器设置于偏振分束/合束器的入光侧，所述反射镜设置于偏振分束/合束器的另一侧，所述四分之一波片设置于反射镜之前，所述检偏器设置于偏振分束/合束器的出光侧，所述转向棱镜设置于检偏器与偏振分束器Ⅱ之间，所述起偏器将上下两束线偏振光变成椭圆偏振光进入偏振分束/合束器，所述偏振分束/合束器将上下两束椭圆偏振光分成强度50/50的两路垂直的S偏振光和P偏振光，此两路偏振光分别经由四分之一波片后由反射镜原路返折回去进入偏振分束/合束器，由偏振分束/合束器合并后进入检偏器，发生干涉，其中，于P偏振光路径的所述偏振分束/合束器与四分之一波片的之间设置温度补偿光片，所述温度补偿光片仅覆盖右侧或左侧上下两路的P偏振光，干涉后的上下两束光经转向棱镜折转90°进入偏振分束器Ⅱ，所述偏振分束器Ⅱ将的两束不同相位的光路左右分开，所述偏振分束器Ⅱ的出光侧设置一个只通过右边或左边的上下两束光的半波片Ⅱ；

合光耦合组件，置于延迟线干涉装置的后端，所述合光耦合组件包括偏振合束器和设置在偏振合束器进光侧下半部或上半部分的半波片Ⅲ，所述偏振合束器将由偏振分束器Ⅱ出射的左右两束光的各自上下两束光合并，形成左右两束平行的输出光。

本发明所述延迟线干涉装置形成50/50分光比的两束输出光。

本发明所述偏振分束器Ⅰ与偏振合束器是一对结构相同、光轴在X方向呈180°反转的偏振光耦合器件。

本发明所述偏振合束器与偏振分束器Ⅱ是一对结构相同、光轴方向相差90°的器件。

本发明所述温度补偿光片是硅。

本发明所述光探测阵列为PD阵列。

本发明所述耦合器包括三角棱镜、双纤输出准直器和双光纤阵列，所述三角棱镜设置于所述偏振光干涉系统的出光侧，所述双纤输出准直器设置于三角棱镜与双光纤阵列之间。

本发明所述三角棱镜设置于所述偏振合束器的出光侧。

本发明所述耦合器包括三角棱镜和透镜，所述三角棱镜设置于所述偏振合束器的出光侧。

本发明所述透镜为C-lens或G-lens。

本发明的延迟线干涉装置采用偏振态分光技术，将光源的偏振态经线偏振态变成椭圆偏振态，再进一步分离不同偏振态的光，发生干涉，最后再合并输出，从而达到在整个C波段分光比保持50/50，有效地提高了消光比。

本发明所用的分光技术对应的器件很成熟，如起偏器、偏振分束/合束器、检偏器等，可以将器件中一些与偏振相关的影响进行补偿消除，使偏振相关频移PDFS减小到最低。

本发明提供了一个直接在空间将光耦合入接收器阵列的方法，使得集成解调接收器的封装尺寸大大减小。

本发明的有益效果是：

1、本发明利用偏振态分光技术在整个C波段获得分光比保持50/50，有效地提高了消光比，提升了器件生产成品率；

2、本发明通过光学耦合技术将光通讯系统中的干涉系统与接收系统通过耦合器集成在同一系统中，形成了新型的集成解调接收器，减小了封装尺寸，有利于小型化的集成发展。

附图说明

图1为本发明一种集成解调接收器的实施例一的光路示意图；

图2 为本发明一种集成解调接收器的实施例二的光路示意图；

图3为本发明一种集成解调接收器的扦损测试图；

图4为本发明一种集成解调接收器的PDL指标测试图；

图5为本发明一种集成解调接收器的消光比测试图；

图6为本发明一种集成解调接收器的偏振频率错位测试图；

表1为本发明一种集成解调接收器的性能参数指标；

其中，

光纤信号源装置1

输入准直器22

偏振分束器Ⅰ24

半波片Ⅰ24-1

起偏器26

偏振分束/合束器28

温度补偿光片29

四分之一波片30

反射镜32

检偏器33

转向棱镜34

偏振分束器Ⅱ36

半波片Ⅱ36-1

偏振合束器38

半波片Ⅲ38-1

三角棱镜40

双纤输出准直器44

双光纤阵列45

透镜46

光探测阵列48。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图更加充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施例，从而本公开将本发明的范围充分地传达给本领域的技术人员。然而，本发明可以以许多不同的形式实现，并且不应被解释为限制于这里阐述的实施例。

实施例一，参见图1

本发明一种集成解调接收器，其包括偏振光干涉系统、光探测阵列48和耦合器。光探测阵列48为PD阵列，是一种高速光接收器，光探测阵列48位于偏振光干涉系统的出光侧，耦合器将偏振光干涉系统的输出光耦合进光探测阵列48，再由光探测阵列48将光信号导入40G光传输系统。

其中偏振光干涉系统包括延迟线干涉装置和置于延迟线干涉装置前端的偏振光发生组件、置于延迟线干涉装置后端的合光耦合组件。

在偏振光发生组件的输入端接入光纤信号源装置1，光纤信号源装置1以激光为光源，通过光纤传输，进入偏振光发生组件。偏振光发生组件包括光纤输入准直器22、偏振分束器Ⅰ24和设置在偏振分束器Ⅰ24的出光侧的半波片Ⅰ24-1，半波片Ⅰ24-1置于偏振分束器Ⅰ24的上半部。

偏振分束器Ⅰ24置于光纤输入准直器22的出光侧，其将输入光在X轴方向（XYZ方向如图1所示）分成两束，形成上下分布且光轴方向垂直的两束线偏振光，半波片Ⅰ24-1进一步将其中一束线偏振光光轴旋转90°，即将方向垂直的两束线偏振光变成同光轴方向（X方向）的两束上下分布的线偏振光。

延迟线干涉装置包括起偏器26、偏振分束/合束器28、四分之一波片30、反射镜32、检偏器33和偏振分束器Ⅱ36。起偏器26设置于偏振分束/合束器28的入光侧，反射镜32设置于偏振分束/合束器28的另一侧，检偏器33设置于偏振分束/合束器28的出光侧，四分之一波片30设置于反射镜32之前，使偏振光发生相位90°反转。转向棱镜34设置于检偏器33与偏振分束器Ⅱ36之间。

起偏器26将上下两束线偏振光变成椭圆偏振光进入偏振分束/合束器28，偏振分束/合束器28将上下两束椭圆偏振光分成强度50/50的两路垂直的S偏振光（简称S光）和P偏振光（简称P光），其中S光与P光都在XOY平面内，S光轴平行于Y轴，而P光平行于X轴。S光在偏振分束/合束器28内沿Y轴的反方向前行，在偏振分束/合束器28的另一端发生全反射后沿Z轴出射，经四分之一波片30后由反射镜32原路返折回去进入偏振分束/合束器28，此过程中，S光发生相位90°反转变成P光。P光路径的偏振分束/合束器28与四分之一波片30的之间设置温度补偿光片29，温度补偿光片29仅覆盖Z方向的右侧上下两路P光的光路。P光经偏振分束/合束器28后沿Z轴直接出射到四分之一波片30后由反射镜32原路返折，再经温度补偿光片29后进入偏振分束/合束器28，P光发生相位90°反转变成S光，在偏振分束/合束器28折转90°沿Y轴出射。

其中，温度补偿光片29只通过P光，其材料是硅或其它对温度较敏感的光学材料，它能补偿由玻璃或空气在偏振分束/合束器28中随温度漂移产生的路径差，也可通过加热硅即时调节所需的相位差。

其调节干涉长度Δδ，Δδ=L₁n₁-L₂(n₂-n₀)，

其中，n₀是大气的光介质常数；

n₁是偏振分束/合束器28材料的光介质常数；

n₂是温度补偿光片29的光介质常数；

L₁是偏振分束/合束器28的长度，其决定了干涉器件的路径差；

L₂是温度补偿光片29的厚度。

沿Y轴出射的两束光经偏振分束/合束器28合并后进入检偏器33，发生干涉，造成干涉的延迟相位由Δδ设计确定，其中，温度补偿光片29的n₂随温度变化大，通过调节温度补偿光片29的温度可以控制相位差。

干涉后的沿X方向上下两束光经转向棱镜34进入偏振分束器Ⅱ36，所述偏振分束器Ⅱ36将相干后90°相位差的两束沿Y方向左右分开。所述偏振分束器Ⅱ36的出光侧设置一个半波片Ⅱ36-1，半波片Ⅱ36-1紧贴偏振分束器Ⅱ36，且只通过右边的上下两束光。

上述延迟线干涉装置形成分光强度50/50的两束输出光，其中一束光的光程和相位变化可由温度补偿光片29控制，两束光合并相干，产生位相相差90°的两束光。

合光耦合组件包括偏振合束器38、设置在偏振合束器38进光侧下半部的半波片Ⅲ38-1，半波片Ⅲ38-1将左右两束光的下半部偏振光的光轴旋转90°，偏振合束器38与偏振分束器Ⅰ24是一对结构相同、光轴反转180°的耦合器件，而与偏振分束器Ⅱ36是一对结构相同、光轴方向相差90°的器件，其将由偏振分束器Ⅱ36出射的沿Y轴左右两束光的各自上下（X方向）两束光合并，形成左右两束平行的输出光。偏振分束器Ⅰ24、偏振分束器Ⅱ36、偏振合束器38均为YVO4晶体，YVO4晶体具有较大的折射率值及双折射率差，其优良的双折射性能使其成为重要的光学元件。

耦合器包括三角棱镜40、双纤输出准直器44和双光纤阵列45。从偏振光干涉系统出射的两束平行的输出光通过设置于偏振合束器38的出光侧的三角棱镜40变成相交的两束光后直接耦合进入双纤输出准直器44，再经双光纤阵列45后导入光探测阵列48。

实施例二，参见图2

本发明一种集成解调接收器，其包括偏振光干涉系统、光探测阵列48和耦合器。光探测阵列48为PD阵列，是一种高速光接收器，光探测阵列48位于偏振光干涉系统的出光侧，耦合器将偏振光干涉系统的输出光耦合进光探测阵列48，再由光探测阵列48将光信号导入40G光传输系统。

其中偏振光干涉系统包括延迟线干涉装置和置于延迟线干涉装置前端的偏振光发生组件、置于延迟线干涉装置后端的合光耦合组件。

在偏振光发生组件的输入端接入光纤信号源装置1，光纤信号源装置1以激光为光源，通过光纤传输，进入偏振光发生组件。偏振光发生组件包括光纤输入准直器22、偏振分束器Ⅰ24和设置在偏振分束器Ⅰ24的出光侧的半波片Ⅰ24-1，半波片Ⅰ24-1置于偏振分束器Ⅰ24的上半部。

偏振分束器Ⅰ24置于光纤输入准直器22的出光侧，其将输入光在X轴方向（XYZ方向如图2所示）分成两束，形成上下分布且光轴方向垂直的两束线偏振光，半波片Ⅰ24-1进一步将其中一束线偏振光光轴旋转90°，即将方向垂直的两束线偏振光变成同光轴方向（X方向）的两束上下分布的线偏振光。

延迟线干涉装置包括起偏器26、偏振分束/合束器28、四分之一波片30、反射镜32、检偏器33和偏振分束器Ⅱ36。起偏器26设置于偏振分束/合束器28的入光侧，反射镜32设置于偏振分束/合束器28的另一侧，检偏器33设置于偏振分束/合束器28的出光侧，四分之一波片30设置于反射镜32之前，使偏振光发生相位90°反转。转向棱镜34设置于检偏器33与偏振分束器Ⅱ36之间。

起偏器26将上下两束线偏振光变成椭圆偏振光进入偏振分束/合束器28，偏振分束/合束器28将上下两束椭圆偏振光分成强度50/50的两路垂直的S偏振光（简称S光）和P偏振光（简称P光），其中S光与P光都在XOY平面内，S光轴平行于Y轴，而P光平行于X轴。S光在偏振分束/合束器28内沿Y轴前行，在偏振分束/合束器28的另一端发生全反射后沿Z轴出射，经四分之一波片30后由反射镜32原路返折回去进入偏振分束/合束器28，此过程中，S光发生相位90°反转变成P光；P光路径的偏振分束/合束器28与四分之一波片30的之间设置温度补偿光片29，温度补偿光片29仅覆盖Z方向的左侧上下两路P光的光路。P光经偏振分束/合束器28后沿Z轴直接出射到四分之一波片30后由反射镜32原路返折，再经温度补偿光片29后进入偏振分束/合束器28，P光发生相位90°反转变成S光，在偏振分束/合束器28折转90°沿Y轴的反方向出射。

沿Y轴的反方向出射的两束光经偏振分束/合束器28合并后进入检偏器33，发生干涉，造成干涉的延迟相位由Δδ设计确定，其中，温度补偿光片29的n₂随温度变化大，通过调节温度补偿光片29的温度可以控制相位差。

干涉后的沿X方向上下两束光经转向棱镜34进入偏振分束器Ⅱ36，所述偏振分束器Ⅱ36将相干后90°相位差的两束沿Y方向左右分开。偏振分束器Ⅱ36的出光侧设置一个半波片Ⅱ36-1，半波片Ⅱ36-1紧贴偏振分束器Ⅱ36，且只通过左边的上下两束光。

上述延迟线干涉装置形成分光强度50/50的两束输出光，其中一束光的光程和相位变化可由温度补偿光片29控制，两束光合并相干，产生位相相差90°的两束光。

合光耦合组件包括偏振合束器38、设置在偏振合束器38进光侧上半部的半波片Ⅲ38-1，半波片Ⅲ38-1将左右两束光的下半部偏振光的光轴旋转90°，偏振合束器38与偏振分束器Ⅰ24是一对结构相同、光轴反转180°的耦合器件，而与偏振分束器Ⅱ36是一对结构相同、光轴方向相差90°的器件，其将由偏振分束器Ⅱ36出射的沿Y轴反方向左右两束光的各自上下（X方向）两束光合并，形成左右两束平行的输出光。偏振分束器Ⅰ24、偏振分束器Ⅱ36、偏振合束器38均为YVO4晶体，YVO4晶体具有较大的折射率值及双折射率差，其优良的双折射性能使其成为重要的光学元件。

耦合器包括三角棱镜40和透镜46，透镜46可以是C-lens，如图2所示，可以采用G-lens，从偏振光干涉系统出射的两束平行的输出光可以通过透镜46将光经自由空间直接耦合到光探测阵列48的接受面。

经过数次实验和可靠性的论证试验，本发明集成解调接收器性能参数指标，如表1所示。

由此可见，本发明集成解调接收器均可用于整个C波段，C波段的波长范围为1528nm至1567nm。由于在前端设置了偏振光发生组件，入射光中的两个偏振分量被转换成同一方向，因而使得整套干涉仪具有极低偏振相关损耗、频移和高消光比。具体表现：本发明的集成解调接收器的扦损可做到1dB以下，如图3所示；本发明的集成解调接收器的偏振相关损耗可达到0.1dB以下，如图4所示；本发明的集成解调接收器的消光比可达到20dB，如图5所示；本发明的集成解调接收器的偏振相关频移很小，PDFS <0.2GHz，如图6所示。

另外，本发明利用光学耦合技术将光通讯系统中的干涉系统与接收系统通过耦合器集成在同一系统中，形成集成解调接收器，其封装尺寸很小，仅为40 mm×19 mm×8mm或25 mm×16 mm×7mm，比现有的解调器的封装尺寸还小，有利于光通讯的小型化发展。

本发明的一种集成解调接收器不限于上述优选实施例，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种集成解调接收器，其特征在于：包括偏振光干涉系统、光探测阵列（48）和耦合器，所述光探测阵列（48）位于偏振光干涉系统的出光侧，并将偏振光干涉系统的输出光通过耦合器耦合进光探测阵列（48）；

所述偏振光干涉系统包括：

偏振光发生组件，所述偏振光发生组件输入端接入光纤信号源装置（1），所述偏振光发生组件包括光纤输入准直器（22）、偏振分束器Ⅰ（24）和设置在偏振分束器Ⅰ（24）的出光侧的半波片Ⅰ（24-1），所述偏振分束器Ⅰ（24）置于光纤输入准直器（22）的出光侧，将输入光分成两束，形成上下分布且光轴方向垂直的两束线偏振光，所述半波片Ⅰ（24-1）置于偏振分束器Ⅰ（24）的上半部，并将方向垂直的两束线偏振光变成同光轴方向的两束上下分布的线偏振光；

延迟线干涉装置，置于偏振光发生组件的后端，所述延迟线干涉装置包括起偏器（26）、偏振分束/合束器（28）、四分之一波片（30）、反射镜（32）、检偏器（33）、转向棱镜（34）和偏振分束器Ⅱ（36），所述起偏器（26）设置于偏振分束/合束器（28）的入光侧，所述反射镜（32）设置于偏振分束/合束器（28）的另一侧，所述四分之一波片（30）设置于反射镜（32）之前，所述检偏器（33）设置于偏振分束/合束器（28）的出光侧，所述转向棱镜（34）设置于检偏器（33）与偏振分束器Ⅱ（36）之间，所述起偏器（26）将上下两束线偏振光变成椭圆偏振光进入偏振分束/合束器（28），所述偏振分束/合束器（28）将上下两束椭圆偏振光分成强度50/50的两路垂直的S偏振光和P偏振光，此两路偏振光分别经由四分之一波片（30）后由反射镜（32）原路返折回去进入偏振分束/合束器（28），由偏振分束/合束器（28）合并后进入检偏器（33），发生干涉，其中，于P偏振光路径的所述偏振分束/合束器（28）与四分之一波片（30）的之间设置温度补偿光片（29），所述温度补偿光片（29）仅覆盖右侧或左侧上下两路的P偏振光，干涉后的上下两束光经转向棱镜（34）折转90°进入偏振分束器Ⅱ（36），所述偏振分束器Ⅱ（36）将的两束不同相位的光路左右分开，所述偏振分束器Ⅱ（36）的出光侧设置一个只通过右边或左边的上下两束光的半波片Ⅱ（36-1）；

合光耦合组件，置于延迟线干涉装置的后端，所述合光耦合组件包括偏振合束器（38）和设置在偏振合束器（38）进光侧下半部或上半部分的半波片Ⅲ（38-1），所述偏振合束器（38）将由偏振分束器Ⅱ（36）出射的左右两束光的各自上下两束光合并，形成左右两束平行的输出光。

2.根据权利要求1所述的一种集成解调接收器，其特征在于：所述延迟线干涉装置形成50/50分光比的两束输出光。

3.根据权利要求2所述的一种集成解调接收器，其特征在于：所述偏振分束器Ⅰ（24）与偏振合束器（38）是一对结构相同、光轴在X方向呈180°反转的偏振光耦合器件。

4.根据权利要求3所述的一种集成解调接收器，其特征在于：所述偏振合束器（38）与偏振分束器Ⅱ（36）是一对结构相同、光轴方向相差90°的器件。

5.根据权利要求4所述的一种集成解调接收器，其特征在于：所述温度补偿光片（29）的材质是硅。

6.根据权利要求5 所述的一种集成解调接收器，其特征在于：所述光探测阵列（48）为PD阵列。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的一种集成解调接收器，其特征在于：所述耦合器包括三角棱镜（40）、双纤输出准直器（44）和双光纤阵列（45），所述三角棱镜（40）设置于所述偏振光干涉系统的出光侧，所述双纤输出准直器（44）设置于三角棱镜（40）与双光纤阵列（45）之间。

8.根据权利要求7所述的一种集成解调接收器，其特征在于：所述三角棱镜（40）设置于所述偏振合束器（38）的出光侧。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的一种集成解调接收器，其特征在于：所述耦合器包括三角棱镜（40）和透镜（46），所述三角棱镜（40）设置于所述偏振合束器（38）的出光侧。

10.根据权利要求9所述的一种集成解调接收器，其特征在于：所述透镜（46）为C-lens或G-lens。