CN106019483A - 一种偏振态无差异的光学混频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振无差异的90。光学混频器，由级联的偏振分束旋转器和多模干涉耦合器(MMI)构成。偏振分束旋转器由相互耦合的上下两个模式转换模块组成使输入的横电模(TE)与横磁模(TM)均转换成横电模(TE)，从而使得无论输入何种模式，都能对混频器参数进行精确的优化，在集成的条件下保持MMI中多模成像位置均一致，实现偏振无差异的光学混频。与传统的混频器相比较，本发明弥补了由于不同模式成像位置不同对MMI所造成的影响，避免了集成条件下对参数进行折中处理而带来的不精确，减小了混频的损耗和误差。该结构的光学混频器具有结构紧凑，性能优良的特点，适用于相干光接收系统。

Description

一种偏振态无差异的光学混频器

技术领域

本发明涉及光学混频器技术，尤其涉及一种能够对不同偏振光进行无差异混频的装置。

背景技术

相干光通信系统的发展大大提高了光通信系统的传输速率、传输容量和传输距离，其成功发展的关键在于相干接收技术的应用。相干接收技术采用零差或外差接收方式处理光信号，而90°光学混频器是这两种方式必不可少的核心组件。在光学混频器中，入射光与本地振荡源的输出光在满足波前匹配和偏振匹配的条件下进行光学混频，从而得到携带幅度、相位等信息的差频信号。差频信号在数字信号处理模块通过不同算法进行信息提取。光学混频器的性能，尤其是光学混频器的混频效率决定了相干接收机的探测灵敏度，从而影响整个相干光通信系统的性能。

目前实现光学混频器的方式主要有三种：第一种方式是采用四个3dB耦合器和一个90°相位延迟器进行混频，其中3dB耦合器通常由一个2×2的多模干涉耦合器(MultimodeInterference：MMI)构成；第二种方式是采用一个4×4多模干涉耦合器完成混频；第三种方式是采用一个3dB耦合器和两个偏振分光器。在集成光子器件中，前两种实现方式是基于光波导型MMI来实现。由于光波导器件一般均具有双折射性，当输入光的偏振态不同时，MMI的成像位置是有差异的。因此前两种实现方式的传输特性均表现出对输入光偏振态的依赖性，输入光在不同偏振态下混频性能存在明显差异。而第三种方式的实现则需要输入光具备特定的偏振态，相比于其他方式，第三种实现方式需要额外的偏振控制，因而在实际应用中也受到了更多的限制，商业上不易实现。

也就是说，目前，在当前的相干光通信系统中，不同偏振态光束的混频只能采用两个独立进行优化设计的光学混频器来实现。而且就目前最实用的方式，即前面所述的第二种方式而言，仍然需要对两组光学偏振态的器件参数分别进行优化。无形中增加了混频器所需的排板面积，限制了相干光通信系统的集成，同时限制了系统性能的提升。因此，在单一光学器件中实现对不同偏振态光束的混频，成为相干接收技术中亟待解决的关键问题。

如果必须采用本领域现有的混频器同时对TE模和TM模进行混频就只能同时对两个器件进行单独的优化。如果遇到必须进行集成的情景，就只能以混频性能为代价，对两个器件的优化参数进行折中处理。

发明内容

为实现上述目的，提出一种光学混频器，包括级联的偏振分束旋转器和多模干涉器，其特征在于，所述的偏振分束旋转器由相互耦合的上下两个模式转换模块组成，偏振分束旋转器的输入端为第一模式转化模块的输入直波导，第一模式转化模块包括顺序串联的输入直波导、第一渐变波导区和第一输出端口；偏振分束旋转器的第二模式转化模块包括顺序串联的耦合波导、第二渐变波导区和第二输出端口；第一输出端口和第二输出端口同时连接多模干涉器中间的两个输入端，或者同时连接多模干涉耦合器外侧的两个输入端；耦合波导与第一渐变波导区相位匹配。

其中，所述的第一模式转化模块中，第一渐变波导区从连接输入直波导的一端到连接第一输出端口的一端依次分为转化输入端、耦合部和转化输出端三个部分：转化输入端的宽度由输入直波导的宽度逐渐拓宽到与耦合部分相同宽度，耦合部分的宽度满足与耦合波导相位匹配的条件，转化输出端宽度由与耦合部分相同的宽度逐渐缩窄第一输出端口的宽度。

其中，所述的偏振分束旋转器和多模干涉器均设置在二氧化硅衬底上，由硅材料做芯层，芯层的外部由氮化硅包裹形成包层。上述的长度和宽度均为芯层的长度和宽度。

MMI中自成像效应可以由公式(1)来描述，多模波导在传播方向上Z处的光场可以表示成所有导模场的叠加。

$\mathrm{\Ψ}(y,z)=\underset{v=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_v\mathrm{\Ψ}(y,z)\exp \[j(\mathrm{\ω}t-{\mathrm{\β}}_{v}z)\]---\left(1\right)$

其中y为垂直传播方向的位置，z为传播方向的位置，Ψ表示光场分布，C_v表示v阶模的模式激励因子由公式(2)表示，β_v表示v阶模的传播常数，且

$C_{\mathrm{\ν}}=\frac{\∫\mathrm{\Ψ}(y,0){\mathrm{\Ψ}}_v\left(y\right)dy}{\sqrt{\∫{\mathrm{\Ψ}}_v^2\left(y\right)dy}}---\left(2\right)$

MMI输出端自成像的相位关系由公式(3)计算得到：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_{n,m}=-{\mathrm{\β}}_0\·\frac{3L_{\mathrm{\π}}}{4}+\frac{15}{32}\mathrm{\π}-\frac{\mathrm{\π}}{2}{(-1)}^{n+m}\\ +\frac{\mathrm{\π}}{16}\·\[n+m-n^2-m^2+{(-1)}^{n+m}\·(2nm-n-m+\frac{1}{2})\]\end{array}---\left(3\right)$

其中m表示MMI输入端的序号，n表示MMI输出端的序号。

MMI设计中用到的拍长及成像位置由基模等效宽度决定，基模等效宽度根据公式(4)计算得到，其中W_e为基模等效宽度，W为MMI的宽度，如为工作波长，n_c为波导包层折射率，n_r，为波导芯层折射率，TE光入射时σ＝0，TM光入射时σ＝1。

$W_e=W+\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{\mathrm{\π}}\right){\left(\frac{n_c}{n_r}\right)}^{2\mathrm{\σ}}{(n_r^2-n_c^2)}^{-\frac{1}{2}}---\left(4\right)$

通过基模等效宽度得到MMI的拍长公式(5)L_π，通过拍长最终得到成像位置公式(6)L_MMI，当在输出端成四重像时，N＝4.

$L_{\mathrm{\π}}=\frac{4n_f{W_e}^2}{3{\mathrm{\λ}}_0}---\left(5\right)$

$L_{MMI}=\frac{3L_{\mathrm{\π}}}{N}---\left(6\right)$

有上述理论可知基模等效宽度决定了MMI的成像位置，而当波导的结构及材料确定后唯一影响成像位置的因素就是多模干涉耦合器输入光的偏振态。从方程(4)中可知TE偏振态和TM偏振态的光其基模等效宽度是有差别的。通常情况下混频器在设计时会综合考虑TE偏振态和TM偏振态的光，将成像位置取两者的折中值，而这个折中值无论对于TE还是TM偏振态的光其结果均是不准确的。而当多模干涉耦合的输入光均为TE偏振态时，其基模等效宽度为唯一的确定值。本项发明专利则在光进入多模干涉耦合器前将其偏振态均转化为TE，进而不用取近似值，使多模干涉耦合器的成像准确，最终在单一器件中实现了偏振无差异的混频器。

有益效果：

(1)本发明通过改变波导芯层的宽度(即逐渐增加渐变波导区的宽度)在第一渐变波导区中将入射光逐渐转化为其他模式，然后通过耦合波导与第一渐变波导区之间的相位匹配来完成两路模式转化模块的相互耦合。通过耦合的方式分束出转化后的模式，将转化为所需偏振态的输入光通过分束的方法与其他模式的入射光相分离，将分束后得到所需偏振态的输入光传输至后面的多模干涉耦合器。由于预先将输入光转化为适合多模干涉耦合器处理的入射光模式，本发明将实现混频所需的光学混频器的个数削减至唯一的一个，在设计时仅需对一个光学偏振态的器件参数进行优化。在保证混频效果的同时简化了版图设计。本发明由于结构简单，只需对一个光学偏振态的器件参数进行优化，因而可以缩短整个的设计、制作周期。而且节省版图面积，便于器件集成。

(2)同时，由于本发明能够通过耦合波导将转化为TE模的入射光分束至第二渐变波导区进行处理，结合后端级联的MMI，实现了在一个器件内同时针对TE模和TM模的入射光进行混频。并且，本发明在混频时只需针对转化后输入MMI的TE模进行参数设置。也就是说，本发明可以在两种模式的入射光条件下对系统参数进行精确的优化，避免了现有技术以集成方式处理不同模式入射光时，需要对优化参数进行折中处理而造成的偏差，进而解决由此所造成的混频器输出端成像位置不准确，混频效果差的缺陷。本发明相对于现有的混频器而言在进行集成的同时可以保证在输出端准确成像，提高了混频器的传输效率、减小了不均衡性以及相位误差，提高了混频器的传输性能进而提高了相干接收机的探测灵敏度。

附图说明

图1偏振分束旋转器结构俯视图；

图2本发明所述混频器结构俯视图；

图3波导横截面；

图4波导有效折射率随芯层2宽度的改变；

图5 TE0模式输入PSR光场分布俯视图；

图6 TE0模式输入PSR光场输出横截面俯视图；

图7 TM0模式输入PSR光场分布俯视图；

图8 TM0模式输入PSR光场输出横截面俯视图；

图9在本地信号光由波导10输入，模式转换分束器的波导5连接波导7，模式转换分束器的波导6连接波导9时，多模干涉器的俯视图；

图10在本地信号光由波导8输入，模式转换分束器的波导5连接波导7，模式转换分束器的波导6连接波导10时，多模干涉器的俯视图；

图11在本地信号光由波导9输入，模式转换分束器的波导5连接波导7，模式转换分束器的波导6连接波导10时，多模干涉器的俯视图；

图12在本地信号光由波导7输入，模式转换分束器的波导5连接波导8，模式转换分束器的波导6连接波导9时，多模干涉器的俯视图；

图13是通过传输矩阵法得到的偏振无差异混频器的计算结果。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所提供的偏振无差异混频器，先将输入光首先通过偏振分束旋转器(PSR，Polarization Splitter Rotator)，将TE及TM模式的输入光在PSR的不同输出端分别输出且不同输出端均以TE模式输出，再将两路TE模式输出信号同时输入多模干涉器(MultimodeInterference：MMI)，实现对不同偏振态无差异的光学混频。

实施例1

针对图2所述偏振无差异的混频器在实现模式转化时，根据图4可知，波导宽度对TE0模式的入射光不会产生模式转换。而当入射光为TM0模式时，当波导的芯层宽度合适，某些特定偏振模式(如图中的TM0和TE1模式)会因为模式匹配(即模式的等效折射率相同)而，使其进行模式转换。我们利用该特性，将渐变芯层波导宽度调整至0.8um左右。此时输入端的TM0模式的有效折射率与TE1模式的有效折射率发生重叠，进而使TM0模式转化为TE1模式。再通过耦合提取TE1模式的信号，进一步调整为TE0模式同步输出。

本实施例的整体结构参照图1和图2。图1所示偏振分束旋转器由相互耦合的两个模式转换模块组成，偏振分束旋转器的输入端为第一模式转化模块的输入直波导1，第一模式转化模块包括顺序串联的输入直波导1、第一渐变波导区2和第一输出端口6；偏振分束旋转器的第二模式转化模块包括顺序串联的耦合波导3、第二渐变波导区4和第二输出端口5；第一输出端口6和第二输出端口5同时连接多模干涉耦合器中间的两个输入端8、9；耦合波导3与第一渐变波导区2相位匹配(即图中虚线框部分，通过相位匹配实现耦合)。

其中，第一模式转化模块中，第一渐变波导区2从连接输入直波导1的一端到连接第一输出端口6的一端依次分为转化输入端、耦合部和转化输出端三个部分：转化输入端的宽度由输入直波导1的宽度逐渐拓宽至与耦合部分相同宽度，耦合部分的宽度满足与耦合波导3相位匹配的条件，转化输出端宽度由与耦合部分相同的宽度逐渐缩窄第一输出端口6的宽度。

图1中第二输出端口5如图2所示，连接多模干涉耦合器的第二输入端8，图1中第一输出端口6如图2所示，连接多模干涉耦合器的第一输入端9。

其中，图1所示的偏振分束旋转器(PSR)利用模式混合的特性实现偏振分束与转换功能。保证TE0、TM0输入时，不同端口输出的都是TE0模式。PSR结构如图1右侧所示，当输入直波导1只有TE0模式输入时，在第一渐变波导区2中波导宽度的变化不会引起模式混合，因而耦合波导3中因不满足相位匹配条件而没有光耦合进波导3。因此入射的TE0模式仍然沿着第一模式转化模块传输，最终在第一输出端口6输出TE0模式。当输入直波导1只有TM0模式输入时，在第一渐变波导区2中，由于波导宽度变化引起模式混合，TM0模式的入射光在到达耦合波导3附近时转变成TE1模式。由于此时模式在耦合波导3与第一渐变波导区2中间的耦合部之间满足相位匹配条件，即模式的等效折射率相同。此时TE1入射光会通过耦合波导3输入到第二渐变波导区4当中。第二渐变波导区4进一步通过改变波导宽度的方式，使得原先输入的TE1模式转化成TE0模式，最终在在第二输出端口5输出TE0模式。整个过程通过上下两个模式转换模块最终实现了TE0、TM0分别输入时在不同端口输出TE0模式。

为了使得第二输出端口5，第一输出端口6输出都为基模，且保持相同，因此本专利将输入直波导1、第一输出端口5，第二输出端口6三者的波导宽度设置为相同的单模波导尺寸，如图1所示，此结构具有结构简单，长度小，制作工艺简单的优点。

图2右侧所示，是多模干涉耦合器的结构，包括输入端的4个单模波导7、8、9、10，多模波导11，4个输出端的单模波导12、13、14、15。偏振分束旋转器的第二输出端口5与多模干涉耦合器的第二输入端8连接，偏振分束旋转器的第一输出端口6与多模干涉耦合器的第一输入端9连接，本地信号光由多模干涉耦合器的本地输入端7输入。由于模式转换分束器的两个输出端输出的光信号均为TE偏振态的光，而此时的MMI是针对输入光偏振态为TE而设计的，所以入射光进入MMI后能够在输出端准确成像，进而实现偏振无差异的混频器。

实施例2

本实施例提出了一种具体的混频器结构。级联的偏振分束旋转器(PSR)与多模干涉耦合器(MMI)中所使用的波导结构相同。其中PSR与MMI的连接方式共有4种，如图9、10、11、12所示，与第二输出端口5、第一输出端口6相连接的输入波导分别是第二输入端8和第一输入端9。本地信号光从波导7或10输入；与波导5、6相连接的输入波导也可以是7、10，对应本地信号光在波导8或10输入。对于用单个MMI来实现混频而言，这4种端口组合均可实现混合，在这里把可以实现的方式一一列举。权利要求中，多模干涉耦合器中间的两个输入端就是指波导8、9所连接的输入端，多模干涉耦合器外侧的两个输入端就是指波导7、10所连接的输入端。

本实施例中采用的纳米级SOI波导结构如图3所示，衬底18为二氧化硅(SiO2)其折射率N_SiO2＝1.445，芯层17为硅(Si)，其折射率N_Si＝3.445，包层16为氮化硅(Si3N4)，其折射率N_Si3N4＝2.0。当芯层17宽度从0.3um到1.5um改变时，波导中将会产生多个模式，其有效折射率随波导芯层17宽度的改变如图4所示。当芯层17波导宽度合适时，某些特定偏振模式因为模式混合将很难区分。利用该特性能够实现模式的转换，即当芯层波导宽度在0.8um左右时，输入TM0模式将转变为TE1模式。本实施例中第一渐变波导区2从连接输入直波导1的一端到连接第一输出端口6的一端依次分为转化输入端、耦合部和转化输出端三个部分：转化输入端的宽度由0.69μm拓宽到0.9μm，耦合部分的宽度为0.9μm，长度为7μm，转化输出端宽度由0.9μm缩窄至0.69μm，整个第一渐变波导区2的长度为44μm。耦合波导3宽度为0.405μm，长度为7μm，与第一渐变波导区中的耦合部相位匹配。

模式转换分束器输出的TE₀模式光进入MMI中，利用MMI的自成像效应使TE0模式的输入光与本地信号光在MMI形成多模干涉，在输出端形成四重像并且输出端的四重像(即1分4成像)之间有固有的90°相位关系，进而实现偏振无差异的混频器。设计得到的MMI的长度为81μm，宽度为6.45μm。

本实施例所述的MMI由单模波导和多模波导构成如图2所示的结构。以图9为例分析多模干涉耦合器具体的设计结构(本地信号LO从10端口输入，TE信号从8、9端口输入)，由方程(7、8)可得到输出端的相位关系，当输入端5输入TE偏振态的光时，入射光由波导8进入多模干涉耦合器，此时本地信号光由波导7输入到多模干涉耦合器，其四个输出端固有的90°相位差如公式(7)所示；当输入端6输入由TM偏振态的光转化成为的TE光时，入射光由波导9进入多模干涉耦合器，此时本地信号光由波导7输入到多模干涉耦合器，由方程(8)可知其四个输出端固有的90°相位差。

整体结构的传输矩阵如公式(9)，其中表示输入光信号、表示本地光信号、表示TE模式的单位向量、表示TM模式的单位向量。数学计算结果如图13，从计算结果中可以看到该结构实现了偏振无差异的混频器。

从图13中可以看出，无论是TE光输入还是TM光输入，偏振无差异混频器的4个输出端的信号光均能实现在输入光的相位变化一个完整周期内，其传输效率随相位成完整周期的正弦关系变化，这验证了输出信号的混频特性。也就是说，TE光输入时，输出端2、3、4输出的信号光与输出端1输出的信号光之间的相位差分别为270°、90°、180°，TM光输入时，输出端2、3、4输出的信号光与输出端1输出的信号光之间的相位差分别为90°、270°、180°，这验证了混频器输出信号的相位特性。由此验证了传输矩阵的正确性，同时证明了该结构实现了偏振无差异的光学混频器，且该结构与现有混频器相对比改善了混频器的偏振依赖性。如文献“Wang J，Kroh M，Richter T，et al.Hybrid-integrated polarization diversecoherent receiver based on polymer PLC[J].IEEE Photonics Technology Letters，2012，24(19)：1718-1721.”中提到的结构，其对于TE模式而言最大不均衡性为1dB，对于TM模式而言最大不均衡性为2.5dB，而本发明提出的结构无论对于TE模式还是TM模式，其最大不均衡性均为1dB，该结构大大提高了混频器的性能。

本发明专利，通过在多模干涉耦合器前级联模式转换分束器的方式实现了偏振无差异的光学混频功能，避免了因MMI对TE和TM输入光成像位置不同而导致的偏振态依赖现象，降低了光混频器对不同偏振态输入光传输及混频的不均衡性，具有结构紧凑，性能优良的特点，适用于相干光接收系统。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种光学混频器，包括级联的偏振分束旋转器和多模干涉耦合器，其特征在于，所述的偏振分束旋转器由相互耦合的两个模式转换模块组成，偏振分束旋转器的输入端为第一模式转化模块的输入直波导(1)，第一模式转化模块包括顺序串联的输入直波导(1)、第一渐变波导区(2)和第一输出端口(6)；偏振分束旋转器的第二模式转化模块包括顺序串联的耦合波导(3)、第二渐变波导区(4)和第二输出端口(5)；第一输出端口(6)和第二输出端口(5)同时连接多模干涉耦合器中间的两个输入端，耦合波导(3)与第一渐变波导区(2)相位匹配。

2.一种光学混频器，包括级联的偏振分束旋转器和多模干涉耦合器，其特征在于，所述的偏振分束旋转器由相互耦合的两个模式转换模块组成，偏振分束旋转器的输入端为第一模式转化模块的输入直波导(1)，第一模式转化模块包括顺序串联的输入直波导(1)、第一渐变波导区(2)和第一输出端口(6)；偏振分束旋转器的第二模式转化模块包括顺序串联的耦合波导(3)、第二渐变波导区(4)和第二输出端口(5)；第一输出端口(6)和第二输出端口(5)同时连接多模干涉耦合器中间的两个输入端，耦合波导(3)与第一渐变波导区(2)相位匹配。

3.如权利要求1或2所述的光学混频器，其特征在于，所述的第一模式转化模块中，第一渐变波导区(2)从连接输入直波导(1)的一端到连接第一输出端口(6)的一端依次分为转化输入端、耦合部和转化输出端三个部分：转化输入端的宽度由输入直波导(1)的宽度逐渐拓宽至与耦合部分相同宽度，耦合部分的宽度满足与耦合波导(3)相位匹配的条件，转化输出端宽度由与耦合部分相同的宽度逐渐缩窄第一输出端口(6)的宽度。

4.如权利要求3所述的光学混频器，其特征在于，所述的偏振分束旋转器和多模干涉耦合器均设置在二氧化硅衬底上，由硅材料做芯层，芯层的外部由氮化硅包裹形成包层。