CN106094114A - 复合光合波器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及复合光合波器。用于合并多个光信号的复合光合波器包括一组合波器。这组合波器包括至少一个偏振合波器，该偏振合波器光学地连接到至少一个非偏振合波器。非偏振合波器合并第一组输入信号并同时保持在第一组信号中的各个输入信号的偏振。偏振合波器合并第二组输入信号并同时变换在第二组信号中的至少一个输入信号的偏振。

Description

复合光合波器
本申请是同一申请人的申请日为2014年4月22日、申请号为201410161381.1、发明名称为“复合光合波器”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明总体涉及光合波器，并且更特别是涉及用于合并多个光信号的复合光合波器。
背景技术
在光通信系统中，例如用于小于40公里距离的40G比特每秒(b/s)或100Gb/s的以太网，要求数据传输速率和带宽为非常高，而期望收发器的尺寸和成本为非常低。为减少成本，在很多情况下，不同波长的多个光信号被合并入单个光纤中。通过合并几个信号，光通信的容量被增大。
存在两种光合波器，即功率合波器和波长合波器。基于多模干涉(MMI)的耦合器一般被用作用于合并不同波长的多个光信号的功率合波器。在MMI耦合器的输入侧，使用多个波导端口来导引多个输入信号。在输出侧，对于输出信号使用单个端口，而所有输入信号被合并入此输出信号。然而，对于各个输入信号，仅有功率的一部分存在于输出信号中。
例如，4x1MMI耦合器能够合并四个光信号，但对于各个信号有至少6分贝(dB)的功率损耗。此类装置的例子由如下文献描述：Besse等的“Optical bandwidth andfabrication tolerance of multimode interference couplers(多模干涉耦合器的光带宽和制造公差)，”IEEE J.Lightwave Technol.(IEEE光学学报),vol.12,no.6,pp.1004-1009,June 1994。
波长合波器的例子包括阵列波导光栅、以及基于环谐振器的滤波器。波长合波器通常为窄带的，能够导致信号失真。波长合波器理论上产生小的功率损耗，但实际上损耗会大得多。精确控制波长合波器的尺寸是很难的而且合波器的尺寸的小的误差能够导致大的插入损耗。插入损耗是在光纤中插入合波器导致的信号功率的损耗，且通常以dB为单位。这样的装置的例子在美国专利6,195,482中描述。
因此，存在对于使输入信号的功率的插入损耗最小化的光合波器的需要。
发明内容
本发明的一些实施例的目的在于，提供用于在合并光信号的同时使插入损耗最小化的系统。本发明的一些实施例的另一个目的在于，提供具有大带宽且易于制造的光合波器。
本发明的一些实施例利用了光纤数据通信的两个基本特性。首先，各个波长的输入信号具有相同的偏振模式，例如横电(TE)模式。其次，在由于输入信号的合并而产生的输出信号中，在构成输出信号的各个波长之间的相对偏振不需要是相同的。
本发明的一些实施例基于如下理解：偏振合波器能够以合并的光信号的功率的最小损耗来合并特定偏振的光信号。此外，非偏振合波器能够将光信号合并为适于偏振合波器的信号。因此，包括至少一个偏振合波器和至少一个非偏振合波器的复合光合波器能够合并多个光信号，例如四个光信号，同时使被合波信号的功率最优化。
这样的理解和认识使得能够使用偏振合波器来设计复合光合波器。有利的是，当与仅用功率合波器比较时，偏振合波器消除了固有的损耗。此外，偏振合波器与波长合波器相比时，减少了波长特征的要求并且使波长间隔加倍。
因此，一个实施例公开了包括一组合波器的、用于合并多个光信号的复合光合波器。该组合波器包括至少一个偏振合波器，该偏振合波器光学地连接到至少一个非偏振合波器。非偏振合波器合并第一组输入信号而同时保持在第一组信号中的各个输入信号的偏振。偏振合波器合并第二组输入信号而同时变换在第二组信号中的至少一个输入信号的偏振。
附图说明
图1A是根据本发明的一些实施例的复合光合波器的示意图。
图1B和1C是根据本发明的一些实施例的图1A的复合光合波器的变形的示意图。
图2A是根据本发明的一些实施例的用于合并四个输入的光信号的方法的框图。
图2B和2C是根据本发明的一些实施例的图2A的方法的变形。
图3是根据一个实施例的偏振合波器的例子。
图4是根据一个实施例的偏振合波器的例子。
图5是根据一个实施例的偏振合波器的例子。
图6是根据一些实施例的复合光合波器的例子。
图7是根据本发明的一个实施例的空间模式变换器的例子。
图8A和8B是在图7的空间模式变换器中的信号的传播的仿真的图示；以及
图9A和9B是使用图7的空间模式变换器的复合光合波器的波束传播的图示。
具体实施方式
本发明的一些实施例提供使插入损耗最小化并且使带宽最大化的用于多个光信号的光合波器。一些实施例利用了以光学方式对数据进行通信时通常不使用偏振复用的事实。换句话说，各个光信号具有单一的偏振。类似地，例如激光等光源在例如横电(TE)模式中以相同偏振振荡。此外，在单模光纤中的光信号能够是任意偏振。对于在光信号之间的相对偏振没有要求。
这样的理解和认识使得能够设计同时使用偏振和非偏振合波器的复合光合波器。有利的是，当与仅用功率合波器比较时，偏振合波器消除了固有的损耗。此外，与波长合波器相比时，偏振合波器减少了波长特征的要求并且使波长间隔加倍。
图1A示出根据本发明的一些实施例的复合光合波器110。复合光合波器能够被用于合并光信号，同时使光信号的功率损耗最小化。
对于复合光合波器110，输入信号130包括多个光信号，而输出信号140包括具有多个不同偏振的光分量的单个光信号。输入和/或输出信号的偏振可以包括基本横磁(TM)模式和基本横电(TE)模式。
合波器110由一组120包括至少一个偏振合波器160和至少一个非偏振合波器150的光合波器构成。如本文所用，非偏振合波器合并例如第一组的输入信号的多个输入信号，同时保持在第一组中的各个输入信号的偏振。偏振合波器合并例如第二组的输入信号的多个输入信号，同时变换在第二组中的至少一个输入信号的偏振。
非偏振合波器的例子包括功率合波器和波长合波器。典型的偏振合波器可包括空间模式变换器和/或偏振变换器。
本发明的一些实施例基于如下理解：偏振合波器能够以被合并的光信号的功率的最小损耗来合并特定偏振的光信号。因此，包括至少一个偏振合波器和至少一个非偏振合波器的复合光合波器能够合并例如4个的多个光信号，同时使被合波信号的功率最优化。
图1B示出根据本发明的一些实施例的复合光合波器110的变形。在此实施例中，偏振合波器160被实现为光学地连接到合波器162的偏振变换器155。在此实施例中，偏振变换器155变换至少一个光信号的偏振，而合波器162合并由偏振变换器155和非偏振合波器150输出的不同偏振的多个光信号。
图1C示出复合光合波器110的另一变形，其中偏振合波器161是复合的，并且具有偏振变换器和合波器的组合的功能。在图1B和1C的实施例的变形中，一组合波器包括连接到偏振合波器的两个非偏振合波器，从而这两个非偏振合波器的输出信号就是对于偏振合波器的输入信号。
图2A示出使用根据本发明的一个实施例的复合变换器110来合并包括第一信号210、第二信号212、第三信号214以及第四信号216这四个输入光信号的框图。这些光信号是向复合变换器110的输入，复合变换器110包括第一非偏振合波器240和第二非偏振合波器241这两个非偏振合波器。复合变换器还包括偏振变换器255和合波器250。附加地或替代地，偏振变换器255和合波器250能够被实现为复合偏振合波器253。
非偏振合波器240-241合并多个光信号，同时保持光信号的分量的偏振，以输出多个合并的光信号。具体而言，第一非偏振合波器240合并第一信号和第二信号来形成第一合波信号245，而第二非偏振合波器241合并第三信号和第四信号来形成第二合波信号247。偏振变换器255变换第二合波信号247的偏振。偏振合波器250将第一合波信号和第二合波信号合并为单一光信号140。光信号140能够包括基本横磁(TM)模式下的第一分量270和基本横电(TE)模式下的第二分量260。
图2B示出根据一个实施例的图2A的复合光合波器的变形。四个输入信号，即信号TE1 231、TE2 232、TE3 233以及TE4 234是TE模式下的输入信号。非偏振合波器由两个功率合波器280和285构成。功率合波器280将信号231和232合并以形成包含TE模式下的两个分量的信号283。类似地，功率合波器285将信号233和234合并以形成也包含TE模式下的两个分量的信号287。偏振变换器288将例如TE模式下的两个分量的、合并的TE信号287的偏振变换为例如TM模式下的两个分量的TM信号289。偏振合波器290对信号进行合并，以使信号283的偏振被保持来形成输出信号140的TE模式分量，例如TE模式下的两个分量。TM信号289的偏振未被改变，形成输出信号140的TM模式分量，例如TM模式下的两个分量。合波器的其它变形是可能的。
图2C示出根据另一个实施例的图2A的复合光合波器的变形。四个输入信号是TE模式下的输入信号，即信号TE1 231、TE2 232、TE3 233以及TE4 234。这里，第一输入信号在TE模式下，具有第一波长λ1，第二输入信号在TE模式下，具有第二波长λ2，第三输入信号在TE模式下，具有第三波长λ3，第四输入信号在TE模式下，具有第四波长λ4，使得λ1>λ3>λ2>λ4。非偏振合波器由两个波长合波器281和282构成。
波长合波器281合并信号231和232以构成包含两个TE模式分量的信号283。类似地，波长合波器282合并信号233和234以构成也包含两个TE模式分量的信号287。因为λ1和λ2之间的波长间隔通常比λ1和λ3之间的大两倍，所以，对于波长合波器281的要求降低，可以接受更小的尺寸和/或更大的制造公差。偏振变换器288将合并的TE信号287的偏振变换为TM信号289。偏振合波器290合并信号以使信号283的偏振保持不变并为了输出信号140的TE模式分量。TM信号287的偏振未被改变，以形成输出信号140的TM模式分量。合波器的其他变形是可能的。
复合合波器能够被实现为具有基板、芯和包层的外延生长结构。例如，在一个实施例中，复合变换器是磷化铟(InP)/铟镓砷磷(InGaAsP)结构，其包括InP基板、具有对InP例如60％晶格匹配的As组合物的InGaAsP芯层和InP包层。在另一实施例中，复合变换器是砷化镓(GaAs)/砷化铝镓(AlGaAs)。其它变形也是可能的并且在本发明的实施例的范围内。
复合偏振变换器/合波器
本发明的一些实施例使用例如变换器/合波器161的偏振合波器，其具有偏振变换器和合波器的组合功能。在一些实施例中，偏振合波器使用空间模式变换器及其后跟随的偏振变换器来实现。
空间模式变换器变换光信号的分量的至少模式的阶。例如，空间模式变换器能够将一阶模式的光信号变换为二阶模式。空间模式变换器能够包括但并不局限于非对称Y形耦合器、非对称定向耦合器、以及基于多模干涉(MMI)的空间模式变换器。
在一些实施例中，空间模式变换器将第一信号维持于基本TE模式，同时将一阶TE模式的第二信号变换为二阶TE模式，并且将两个信号合并入相同的输出端口。在这些实施例中，空间模式变换器也是合波器。
在一些实施例中，偏振变换器是这样一种偏振变换器：二阶TE模式被变换为一阶TM模式，而同时一阶TE模式保持该模式。
图3示出偏振合波器300的例子。在此实施例中，通过上Y分支311传播的第一光信号313和通过下Y分支312传播的第二光信号314这两者都在基本TE0模式中。空间模式变换器310，例如Y耦合器，将第一信号的TE0模式变换为TE1模式而不改变第二信号。偏振变换器320将第一信号的TE1模式变换为TM0模式而不改变第二信号。由此，在合波器300的输出侧，第一信号的基本TE模式被变换为基本TM模式，而第二分量的基本TE模式的偏振被保持。此外，基本模式TE和TM被合并并且同时传播。
在合波器300中，二阶模式TE1在线325处的设备的输出端口处可能没有完全地变换为TM0模式。为了进一步提高变换效率，能够引入其它变换器，例如两级锥形(bi-leveltaper)。
图4示出包括两级锥形330的复合偏振合波器的另一个例子。在此实施例中，在上Y分支的第一信号和在下Y分支的第二信号这两者都具有基本TE模式。空间模式变换器310，例如Y耦合器，将第一信号的TE0模式变换为TE1模式而不改变第二信号。偏振变换器320将第一信号的TE1模式变换为TM0模式而不改变第二信号。
在此实施例中，偏振变换器是两个部件，即宽度锥形(width taper)320和两级锥形330的组合。在设备400的输出处，第一信号的基本TE模式被变换为基本TM模式而第二信号的基本TE模式的偏振被保持。基本模式TE和TM被合并并且一起传播。
在图4中所示的实施例中，二阶模式TE1分量仍然可能存在于在线335处的设备的输出端口处。例如，如果信号的二阶TE1模式与TE0和TM0模式两者一起传播，结果能够导致低消光比和偏振合波器的性能欠佳。为了改进性能，在信号被输出前，需要除去较高阶的模式。为此，本发明的一些实施例包括除去模式的高阶模式滤波器，且仅有两种基本TE0和TM0模式被通过。
图5示出复合偏振合波器500的另一个例子。在此实施例中，在上Y分支的第一信号和在下Y分支的第二信号这两者都具有基本TE偏振。空间模式变换器310，例如Y耦合器，将第一信号的TE0模式变换为TE1模式而不改变第二信号。偏振变换器320将第一信号的TE1模式变换为TM0模式而不改变第二信号。在此实施例中，偏振变换器是例如宽度锥形320和两级锥形330这两个部件的组合。此外，高阶模式滤波器340除去高阶模式，特别是TE1模式。在模式滤波器340中，波导宽度在100um长的范围上从例如2um到1.2um线性地减小。在设备500的输出处，第一分量的基本TE模式被变换为基本TM模式而第二分量的基本TE模式的偏振被保持。基本模式TE和TM被合并并且同时传播。
图6示出包括四个输入端口610、两个功率合波器620以及复合偏振变换器/合波器630的复合光合波器的例子。
图7示出根据本发明的一个实施例的空间模式变换器700。空间模式变换器700能够与例如变换器320的偏振变换器组合以形成复合偏振合波器。变换器700是多模干涉(MMI)设备，具有在第一部分710和第二部分715之间的倾斜接合处740。基于MMI的变换器700包括一个输出端口750和两个输入端口。第一输入端口720偏离中心，而第二输入端口处于部分710一侧的中心，即第二输入端口的轴731与第一部分的轴711对准。TE0模式下的第一信号是向第一端口720的输入。TE0模式下的第二信号是向第二端口730的输入。变换器700将第一信号从TE0变换为TE1，同时保持第二信号的TE0模式。
图8A和8B示出在空间模式变换器700中信号的传播的仿真。图8A示出进入上(偏离中心)端口720的第一信号。图8B示出进入下中心端口的第二信号。倾斜接合处740是这样的位置：到上端口的输入信号有宽的分离742，而到下(中心)端口的输入信号有节点741。这样，到上端口的输入信号具有适当的相移，并被变换为二阶TE模式751，而第二输入信号的输出信号752的模式被保持。
图9A和9B示出使用空间模式变换器700的复合偏振变换器/合波器的仿真的波束传播。图9A示出通过上(偏离中心)端口720传播的TE模式下的第一输入信号910的变换。图9B示出通过下(中心)端口730传播的TE模式下的第二输入信号920的变换。第一信号被变换为输出信号的TM模式分量930，而第二信号形成输出信号的TE模式分量。

Claims (1)

1.一种用于合并多个光信号的复合光合波器，包括：
一组合波器，其中所述一组合波器包括至少一个偏振合波器，该偏振合波器光学地连接到至少一个非偏振合波器，其中所述非偏振合波器合并第一组输入信号并同时保持在第一组信号中的各个输入信号的偏振，并且其中所述偏振合波器合并第二组输入信号并同时变换在第二组信号中的至少一个输入信号的偏振，其中所述偏振合波器包括空间模式变换器和偏振变换器，并且其中所述空间模式变换器包括：
多模干涉(MMI)结构，包括通过倾斜接合处连接到第二部分的第一部分；
至少两个输入端口，包括偏离所述多模干涉(MMI)结构的中心而布置的第一端口和布置于所述多模干涉(MMI)结构的中心的第二端口，使得通过所述第一端口传播的第一信号在所述倾斜接合处具有宽的分离，并且通过所述第二端口传播的第二信号在所述倾斜接合处具有节点；以及
至少一个输出端口。
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