CN104639259A - 一种混频器,混频方法及光接收机 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种混频器，包括偏振光输入波导、本振光输入波导、第一输出波导阵列、第二输出波导阵列、第一多模干涉区域、第二多模干涉区域和第一光子晶体阵列；偏振光输入波导与第一多模干涉区域耦合，偏振光包括相互正交的第一偏振态光和第二偏振态光；本振光输入波导与第一多模干涉区域耦合，第一多模干涉区域与第二多模干涉区域耦合，第一多模干涉区域和第二多模干涉区域用于对偏振光和本振光进行混频；第一光子晶体阵列耦合于第一多模干涉区域内，第一光子晶体阵列用于分离偏振光为第一偏振态光和第二偏振态光。该混频器尺寸较小，降低了器件的复杂度，提高了集成度，也节约了器件成本。另，还公开了一种混频方法和光接收机。

Description

一种混频器,混频方法及光接收机

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种混频器，混频方法及光接收机。

背景技术

随着宽带业务的快速发展，核心路由器推出100Gbps以太网接口，因此骨干网络设备势必要支持100Gbps业务的长距离传输。光互联论坛（OpticalInternetworking Forum，简称OIF）标准组织在传输框架的白皮书中倾向于100Gbps线路侧传输选择偏振复用正交相位键控（Polarization multiplexedQuadrature Phase Shift keying，简称PM-QPSK）的光调制方案，偏振复用技术的引入可以使传输的光信号容量扩大一倍，该技术的兴起意味着接收机需要引入相干检测方式。

现有的相干接收系统中，调制后的光信号通过偏振分束器分为两个相互正交的偏振光信号，两路偏振光信号分别与本振光进行混频，混频输出的信号经平衡光电检测器进行光电转换，然后通过模数转换器（ADC）进行取样和量化处理，完成模拟/数字的变换，最后取样量化后的离散数字序列由数字信号处理器(DSP)进行处理。由此可见，在现有的相干接收系统中，用于接收入射光信号并进行偏振分束和光混频的器件必不可少。

在传统技术中，通常采用分立器件来实现偏振分束和光混频功能。本振光信号等分后作为两个90度混频器的相干光源。调制后的光信号经两个偏振分束器分为两个相互正交的偏振光信号，并分别进入所述两个90度混频器与所述本振光信号产生干涉。在这种基于分立器件的实现方法中，至少需两个偏振分束器和两个90度混频器，其复杂度和损耗都较高。而且在集成的情况下，器件之间的连接波导无可避免地会产生交叉串扰的情况，从而会影响光信号的质量。

另外，现有的能同时实现90度混频及偏振分束的单个器件，仅有阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Grating，简称AWG）。它利用波导中偏振敏感性进行偏振分束，并利用特殊的波导阵列长度设计完成90度混频。但是该方案中的AWG结构设计较为复杂，阵列波导条数较多，尺寸较大（一般在毫米量级），损耗也较高，单个器件的插入损耗大于5dB。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种混频器，可实现90°混频及偏振分束功能。

本发明提供了一种混频器，所述混频器包括偏振光输入波导、本振光输入波导、第一输出波导阵列、第二输出波导阵列、第一多模干涉区域、第二多模干涉区域和第一光子晶体阵列；

所述偏振光输入波导与所述第一多模干涉区域耦合，用于接收偏振光，所述偏振光包括相互正交的第一偏振态光和第二偏振态光；

所述本振光输入波导与所述第一多模干涉区域耦合，用于接收与所述偏振光相对应的本振光；

所述第一多模干涉区域与所述第二多模干涉区域耦合，所述第一多模干涉区域和所述第二多模干涉区域用于对所述偏振光和所述本振光进行混频；

所述第一光子晶体阵列耦合于所述第一多模干涉区域内，所述第一光子晶体阵列用于分离所述偏振光为所述第一偏振态光和所述第二偏振态光；

所述第一输出波导阵列与所述第一多模干涉区域耦合，所述第一输出波导阵列用于输出经分离和混频后的光；

所述第二输出波导阵列与所述第二多模干涉区域耦合，所述第二输出波导阵列用于输出分离和混频后的光。

在第一种可能的实现方式中，所述第一光子晶体阵列用于分离所述偏振光为所述第一偏振态光和所述第二偏振态光具体是指：所述第一光子晶体阵列用于透射所述第一偏振态光，且反射所述第二偏振态光。

结合第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述混频器还包括第二光子晶体阵列，所述第二光子晶体阵列耦合于所述第二多模干涉区域内，所述第二光子晶体阵列用于透射所述第一光子晶体阵列反射的所述第二偏振态光，并反射所述第一光子晶体阵列反射的第一偏振态光，所述反射的第一偏振态光为所述第一光子晶体阵列透射所述第一偏振态光时所残余的第一偏振态光。

结合第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述第一光子晶体阵列与所述偏振光和所述本振光的传播方向呈30°～60°角，且所述第一光子晶体阵列为二维周期性孔阵列结构。

结合第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述第二光子晶体阵列与所述第一光子晶体成30°～60°角，且所述第一光子晶体阵列为二维周期性孔阵列结构。

结合第四种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述第一光子晶体阵列与所述偏振光和所述本振光的传播方向呈45°角，所述第二光子晶体阵列与所述第一光子晶体阵列成45°角。

结合第五种可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，所述第一光子晶体阵列和所述第二光子晶体阵列的基体材质为磷化铟，二氧化硅，或硅中的一种或多种的组合。

在第七种可能的实现方式中，所述偏振光输入波导、所述本振光输入波导、所述第一输出波导阵列、所述第二输出波导阵列均为单模波导、或锥形变化后的单模波导。

在第八种可能的实现方式中，所述第一多模干涉区域和所述第二多模干涉区域为相互分离的垂直耦合结构、或为相互连接嵌套的一体的垂直耦合结构。

本发明还提供了一种混频方法，包括步骤如下：

接收偏振光和本振光，所述偏振光包括第一偏振态光和第二偏振态光；

利用多模干涉区域中的光子晶体阵列分离所述第一偏振态光和所述第二偏振态光，以及利用所述多模干涉区域对所述偏振光和所述本振光进行混频；

发送偏振分离和混频后的光。

本发明还提供了一种光接收机，其特征在于，包括上述混频器，多个光电探测器，及放大器；

所述混频器用于接收本振光和外部输入的与所述本振光相对应的偏振光，对所述偏振光中的第一偏振态光和第二偏振态光进行偏振分离，对所述偏振光和所述本振光进行混频处理，并输出经过偏振分离和混频后的光，所述第一偏振态光和所述第二偏振态光的偏振方向相互正交；

多个所述光电探测器分别用于接收所述经过偏振分离和混频后的光，并将所述经过偏振分离和混频后的光转换为电信号；

所述放大器用于接收自身所对应的所述光电探测器所转化的电信号，并放大输出所接收到的电信号。

在第一种可能的实现方式中，所述光接收机还包括激光器，所述激光器用于产生所述本振光。

本发明实施例提供的所述混频器，可应用在所述光接收机中。在所述混频器中，所述第一多模干涉区域和所述第二多模干涉区域实现所述偏振光与所述本振光的90°混频功能，所述第一光子晶体阵列分离所述偏振光为第一偏振态光和所述第二偏振态光，从而实现了所述混频器的偏振分束和混频的功能。相比于现有技术中的利用分立器件进行偏振分束和90°混频的解决方案，本发明实施例提供的所述混频器，采用一个器件同时实现偏振分束和90°混频的功能，尺寸较小，无需长波导连接，从而简化了所述光接收机的设计，降低了器件的复杂度，提高了集成度，也节约了器件成本。另外，相对于现有的阵列波导光栅结构，本发明实施例提供的所述混频器的尺寸较小，因而所述混频器的传输损耗和耦合损耗较小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的混频器的示意图；

图2是图1所示的混频器的光路示意图；

图3是本发明实施例提供的混频方法的流程图；

图4是本发明实施例提供的光接收机的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，为本发明实施例提供的一种混频器100的示意图。所述混频器100包括第一多模干涉区域10、第二多模干涉区域20、第一光子晶体阵列30、偏振光输入波导50、本振光输入波导60、第一输出波导阵列70、第二输出波导阵列80。

所述偏振光输入波导50与所述第一多模干涉区域10耦合，用于接收偏振光。所述偏振光包括相互正交的第一偏振态光和第二偏振态光。

所述本振光输入波导60与所述第一多模干涉区域10耦合，用于接收与所述偏振光相对应的本振光。

所述第一多模干涉区域10与所述第二多模干涉区域20耦合，所述第一多模干涉区域10和所述第二多模干涉区域20用于对所述偏振光和所述本振光进行混频。本实施方式中，所述第一多模干涉区域10与所述第二多模干涉区域20为垂直耦合。在其他实施方式中，所述第一多模干涉区域10与所述第二多模干涉区域20可呈锐角或是钝角形式的耦合。

本实施方式中，所述第一多模干涉区域10和所述第二多模干涉区域20为相互连接嵌套的一体的垂直耦合结构。所述第一多模干涉区域10的波导长度为205.48μm，所述第一多模干涉区域10的波导宽度为10.12μm。所述第二多模干涉区域20的波导长度为205.48μm，所述第二多模干涉区域20的波导宽度为10.12μm。所述第一多模干涉区域10的和所述第二多模干涉区域20的边角重合，且重合面积为10.12*10.12μm²。

在其他实施方式中，所述第一多模干涉区域10和所述第二多模干涉区域20为相互分离的垂直耦合结构，两者可通过光学透光胶粘合为一体。所述第一多模干涉区域10和所述第二多模干涉区域20的尺寸参数可以根据实际应用需要而适当调节。

所述第一光子晶体阵列30耦合于所述第一多模干涉区域10内，所述第一光子晶体阵列30用于接收所述偏振光，并分离所述偏振光为所述第一偏振态光和所述第二偏振态光。所述第一光子晶体阵列30用于分离所述偏振光为所述第一偏振态光和所述第二偏振态光具体是指：所述第一光子晶体阵列30用于透射所述第一偏振态光，且反射所述第二偏振态光。

在仅含有所述第一光子晶体阵列30的所述混频器100中，经所述第二输出波导阵列80输出的信号光中，所述第一偏振态光和所述第二偏振态光未能很好的分离。为了更好地实现所述第一偏振态光和所述第二偏振态光的分离，在本实施方式中，所述混频器100还包括第二光子晶体阵列40，所述第二光子晶体阵列40耦合于所述第二多模干涉区域20内。所述第二光子晶体阵列40用于透射所述第一光子晶体阵列30反射的所述第二偏振态光，并反射所述第一光子晶体阵列30反射的第一偏振态光，所述反射的第一偏振态光为所述第一光子晶体阵列30透射所述第一偏振态光时所残余的第一偏振态光。具体的，所述第一偏振态光为横电模光（简称TE模），所述第二偏振态光为横磁模光（简称TM模）。在其他实施方式中，所述第一偏振态光为横磁模光（简称TM模），所述第二偏振态光为横电模光（简称TE模）。

参见图2，所述第一光子晶体阵列30和所述第二光子晶体阵列40可分离所述第一偏振态光和所述第二偏振态光，是由所述第一光子晶体阵列30和所述第二光子晶体阵列40的固有结构决定的。所述第一光子晶体阵列30和所述第二光子晶体阵列40均是在空间上具有二维周期性孔阵列结构。当光束在所述第一光子晶体阵列30和所述第二光子晶体阵列40中传输时，所述第一光子晶体阵列30和所述第二光子晶体阵列40会形成与半导体相似的带隙。而这种带隙与光的偏振态相关，例如所述TE模和所述TM模具有不同的带隙。因而，通过适当选取所述第一光子晶体阵列30和所述第二光子晶体阵列40的材料，以及周期性结构，可将所述TE模和TM模的带隙错开。从而实现了在某一宽带范围内了，所述TE模具有很大的透射效率而所述TM模由于处于带隙中无法透射，或者是所述TM模具有较大的透射效率而所述TE模处于带隙中无法透射。

所述第一光子晶体阵列30与所述偏振光和所述本振光的传播方向呈30°～60°角。所述第一光子晶体阵列30用于透射所述第一偏振态光，且反射所述第二偏振态光。所述第二光子晶体阵列40与所述第一光子晶体阵列30成30°～60°角，所述第二光子晶体阵列40接收所述第一光子晶体阵列30的反射光，所述第二光子晶体阵列40用于透射所述第二偏振态光，且反射第一偏振态光。为了更好的分离所述第一偏振态光和所述第二偏振态光，所述第一光子晶体阵列30与所述偏振光和所述本振光的传播方向呈45°角，所述第二光子晶体阵列40与所述第一光子晶体阵列30呈45°角。

本实施方式中，所述第一光子晶体阵列30和所述第二光子晶体阵列40的基体材质为磷化铟。并采用光刻的方法制备所述第一光子晶体阵列30和所述第二光子晶体阵列40于对应的所述第一多模干涉区域10和第二多模干涉区域20内。在其他实施方式中，所述第一光子晶体阵列30和所述第二光子晶体阵列40的基体材质可为磷化铟、二氧化硅，或硅中的一种或多种的组合。

所述第一输出波导阵列70与所述第一多模干涉区域10耦合，所述第一输出波导阵列70用于输出经分离和混频后的光。

所述第二输出波导阵列80与所述第二多模干涉区域20耦合，所述第二输出波导阵列80用于输出经分离和混频后的光。

所述偏振光输入波导50、本振光输入波导60、第一输出波导阵列70和第二输出波导阵列80的波导均为单模波导、或锥形变化后的单模波导。本实施方式中，所述偏振光输入波导50、本振光输入波导60、第一输出波导阵列70和第二输出波导阵列80的波导是宽度为1μm的单模波导。

在所述混频器100中，所述偏振光入射到所述第一光子晶体阵列30，所述第一偏振态光透射通过所述第一光子晶体阵列30。而所述第二偏振态光则在所述第一光子晶体阵列30处发生反射，而入射到所述第二光子晶体阵列40，且透射通过所述第二光子晶体阵列40。并且在所述混频器100中，利用所述第一多模干涉区域10和所述第二多模干涉区域20的固有正交混频功能，所述第一偏振态光和所述第二偏振态光分别与所述本振光混频。当所述第一光子晶体阵列30在所述第一多模干涉区域10中的位置，相对靠近所述偏振光输入波导50时，所述混频器100相当于先偏振分束，后进行正交混频处理。当所述第一光子晶体阵列30在所述第一多模干涉区域10中的位置，相对靠近所述第一输出波导阵列70时，所述混频器100相当于先正交混频，后进行偏振分束。而当所述第一光子晶体30在所述第一多模干涉区域10中的居中位置时，所述混频器100的正交混频和偏振分束过程同时进行。最终，混频后的所述第一偏振态光经所述第一输出波导阵列70输出，混频后的所述第二偏振态光经所述第二输出波导阵列80输出。

参见图3，相应的，本发明实施例还提供了一种混频方法，包括步骤如下：

S1：接收偏振光和本振光，所述偏振光包括第一偏振态光和第二偏振态光。

S2：利用多模干涉区域中的光子晶体阵列分离所述第一偏振态光和所述第二偏振态光，以及利用所述多模干涉区域对所述偏振光和所述本振光进行混频。

S3：发送偏振分离和混频后的光。

以上步骤的执行主体可以是所述混频器100，也可以是采用上述步骤的功能器件。

参见图4，本发明实施例还提供了一种光接收机200，所述光接收机200包括上述混频器100，多个光电探测器110，及放大器120。

所述混频器100用于接收本振光和外部输入的与所述本振光相对应的偏振光，对所述偏振光中的第一偏振态光和第二偏振态光进行偏振分离，对所述偏振光和所述本振光进行混频处理，并输出经过偏振分离和混频后的光，所述第一偏振态光和所述第二偏振态光的偏振方向相互正交。

多个所述光电探测器110分别用于接收所述经过偏振分离和混频后的光，并将所述经过偏振分离和混频后的光转换为电信号。

所述放大器120用于接收自身所对应的所述光电探测器110所转化的电信号，并放大输出所接收到的电信号。

在本实施方式中，所述放大器120为多个，且每个所述放大器120对应接收一个所述光电探测器110所转化的电信号。在其他实施方式中，所述放大器120也可集成为具有多通道的一体型结构，每个所述通道对应于一个所述光电探测器110所转化的电信号。

所述光接收机200还包括激光器，所述激光器用于产生所述本振光。所述本振光与所述偏振光输入到所述混频器100中。

本发明实施例提供的所述混频器100，适用于整个C波段，可应用在所述光接收机200中。在所述混频器100中，所述第一多模干涉区域10和所述第二多模干涉区域20实现所述偏振光与所述本振光的90°混频功能，所述第一光子晶体阵列30分离所述偏振光为第一偏振态光和所述第二偏振态光，从而实现了所述混频器100的偏振分束和混频的功能。相比于现有技术中的利用分立器件进行偏振分束和90°混频的解决方案，本发明实施例提供的所述混频器100，采用一个器件同时实现偏振分束和90°混频的功能，尺寸较小，无需长波导连接，从而简化了所述光接收机200的设计，降低了器件的复杂度，提高了集成度，也节约了器件成本。另外，相对于现有的阵列波导光栅结构，本发明实施例提供的所述混频器100的尺寸较小，损耗小于4dB，因而所述混频器100的传输损耗和耦合损耗较小。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种混频器，其特征在于：

所述混频器包括偏振光输入波导、本振光输入波导、第一输出波导阵列、第二输出波导阵列、第一多模干涉区域、第二多模干涉区域和第一光子晶体阵列；

所述偏振光输入波导与所述第一多模干涉区域耦合，用于接收偏振光，所述偏振光包括相互正交的第一偏振态光和第二偏振态光；

所述本振光输入波导与所述第一多模干涉区域耦合，用于接收与所述偏振光相对应的本振光；

所述第一多模干涉区域与所述第二多模干涉区域耦合，所述第一多模干涉区域和所述第二多模干涉区域用于对所述偏振光和所述本振光进行混频；

所述第一光子晶体阵列耦合于所述第一多模干涉区域内，所述第一光子晶体阵列用于分离所述偏振光为所述第一偏振态光和所述第二偏振态光；

所述第一输出波导阵列与所述第一多模干涉区域耦合，所述第一输出波导阵列用于输出经分离和混频后的光；

所述第二输出波导阵列与所述第二多模干涉区域耦合，所述第二输出波导阵列用于输出分离和混频后的光。

2.如权利要求1所述的混频器，其特征在于，所述第一光子晶体阵列用于分离所述偏振光为所述第一偏振态光和所述第二偏振态光具体是指：所述第一光子晶体阵列用于透射所述第一偏振态光，且反射所述第二偏振态光。

3.如权利要求2所述的混频器，其特征在于，所述混频器还包括第二光子晶体阵列，所述第二光子晶体阵列耦合于所述第二多模干涉区域内，所述第二光子晶体阵列用于透射所述第一光子晶体阵列反射的所述第二偏振态光，并反射所述第一光子晶体阵列反射的第一偏振态光，所述反射的第一偏振态光为所述第一光子晶体阵列透射所述第一偏振态光时所残余的第一偏振态光。

4.权利要求3所述的混频器，其特征在于，所述第一光子晶体阵列与所述偏振光和所述本振光的传播方向呈30°～60°角，且所述第一光子晶体阵列为二维周期性孔阵列结构。

5.如权利要求4所述的混频器，其特征在于，所述第二光子晶体阵列与所述第一光子晶体成30°～60°角，且所述第一光子晶体阵列为二维周期性孔阵列结构。

6.如权利要求5所述的混频器，其特征在于，所述第一光子晶体阵列与所述偏振光和所述本振光的传播方向呈45°角，所述第二光子晶体阵列与所述第一光子晶体阵列成45°角。

7.如权利要求6所述的混频器，其特征在于，所述第一光子晶体阵列和所述第二光子晶体阵列的基体材质为磷化铟，二氧化硅，或硅中的一种或多种的组合。

8.如权利要求1所述的混频器，其特征在于，所述偏振光输入波导、所述本振光输入波导、所述第一输出波导阵列、所述第二输出波导阵列均为单模波导、或锥形变化后的单模波导。

9.如权利要求1所述的混频器，其特征在于，所述第一多模干涉区域和所述第二多模干涉区域为相互分离的垂直耦合结构、或为相互连接嵌套的一体的垂直耦合结构。

10.一种混频方法，其特征在于，包括步骤如下：

接收偏振光和本振光，所述偏振光包括第一偏振态光和第二偏振态光；

利用多模干涉区域中的光子晶体阵列分离所述第一偏振态光和所述第二偏振态光，以及利用所述多模干涉区域对所述偏振光和所述本振光进行混频；

发送偏振分离和混频后的光。

11.一种光接收机，其特征在于，包括权利要求1～9任一项所述的混频器，多个光电探测器，及放大器；

所述混频器用于接收本振光和外部输入的与所述本振光相对应的偏振光，对所述偏振光中的第一偏振态光和第二偏振态光进行偏振分离，对所述偏振光和所述本振光进行混频处理，并输出经过偏振分离和混频后的光，所述第一偏振态光和所述第二偏振态光的偏振方向相互正交；

多个所述光电探测器分别用于接收所述经过偏振分离和混频后的光，并将所述经过偏振分离和混频后的光转换为电信号；

所述放大器用于接收自身所对应的光电探测器所转化的电信号，并放大输出所接收到的电信号。

12.如权利要求11所述的光接收机，其特征在于，所述光接收机还包括激光器，所述激光器用于产生所述本振光。