CN107884876B - 一种基于波导光栅耦合器的光偏振态检测芯片 - Google Patents

一种基于波导光栅耦合器的光偏振态检测芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于波导光栅耦合器的光偏振态检测芯片，包括具有光栅区域以及四个输出端口的波导光栅耦合器，波导光栅耦合器的四个输出端口划分为相互垂直的两组，两组输出端口分别通过第一单模波导连接同一个多模干涉耦合器，并分别通过第二单模波导连接两个第一光电探测器；所述的第一单模波导、第二单模波导与波导光栅耦合器的输出端口之间均通过模式转换器连接；所述的多模干涉耦合器通过两个第三单模波导连接两个第二光电探测器。本发明所涉及的器件基于光波导器件，能够集成在同一衬底上，具有较高的集成度，能够在光通信、片上/片间光互连领域得到应用。

Description

一种基于波导光栅耦合器的光偏振态检测芯片
技术领域
本发明涉及光偏振态检测领域，具体涉及一种基于波导光栅耦合器的光偏振态检测芯片。
背景技术
偏振是光的本性之一，在光纤通信中必然存在着偏振的效应。早在上个世纪70年代，人们就开始对单模光纤的偏振特性进行了研究，1978年，Ashleigh和Ulrich首次在可见的文献中，对单模光纤的偏振模色散进行了定义和描述。但那时光通信尚处于起步阶段，偏振效应对于强度调制-直接检测的低速光通信系统几乎无任何影响，所以没有引起重视。
90年代后期，由于信息在社会各领域的流量不断加大而导致的对通信网络容量的巨大需求，高速度、长距离和大容量的光通信成为通信网络发展的必然趋势。而伴随着光网络的传输速率的不断加快和传输距离的不断加长，光纤中的偏振效应对于光通信系统产生的影响也不能够再被忽视。这些产生影响的偏振效应包括光纤的偏振模色散和偏振相关的非线性效应，光器件的偏振相关损耗，光放大器的偏振相关增益，调制器的偏振相关调制，探测器的偏振相关效应，相干系统的偏振相关灵敏度等。由于光信号偏振态变化的随机性，上述效应不仅使信号的幅度产生波动，形成偏振相关的幅度噪声，而且会因为与偏振相关的相位波动，引入信号的波形失真、频率啁啾和干涉噪声。这些都将严重损伤高速光通信系统的传输性能，限制系统的传输速率和传输距离，从而不得不付出很大的功率代价。
一般来说，普通光纤的输出偏振态为椭圆偏振态，且椭圆偏振态的形状是不断变化的。正是由于光纤偏振态随着传播的长度而随机变化和随时间及环境的改变所产生的不稳定性、不确定性和不可预知性，才造成了整个光路中信号偏振相关损伤。综上所述，检测光纤中偏振态的演变对解决偏振效应对光纤通信系统的限制问题是至关重要的。
通常由于只能检测到光的光功率，而不易检测到相位变化，因此常见的偏振态检测采用检测光波的斯托克斯矢量的方法，并且斯托克斯参量可以全面描述光的偏振态和光强度。目前在商业领域高速测量偏振态的方法主要有分波前方法和分光束方法。分波前方法即在测量装置的几个适当位置各引出一部分光，使用光电探测器测量它们的光强，斯托克斯参数由其计算得出。在商业化的产品中，Thorlabs公司的产品IPM5300在线式偏振计应用的便是这种原理。分光束方法即把一个入射光束使用分束器分成4束，分别通过四个设定好的偏振装置，使用4个光电探测器同时接收4路光强信息，然后计算出偏振态和偏振度。采用这种思路的商用偏振测量仪有Agilent的8509B和8509C。但是上述偏振检测器体积较大，且无法与基于平面工艺的平面光波导回路或集成电路集成，严重限制了系统集成度的提高。
因此，为了进一步促进系统集成度的提高，有必要提出新的偏振态检测芯片。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于波导光栅耦合器的光偏振态检测芯片，能够有效降低器件的面积，提高系统的集成度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：包括具有光栅区域以及四个输出端口的波导光栅耦合器，波导光栅耦合器的四个输出端口划分为相互垂直的两组，两组输出端口分别通过第一单模波导连接同一个多模干涉耦合器，并分别通过第二单模波导连接两个第一光电探测器；所述的第一单模波导、第二单模波导与波导光栅耦合器的输出端口之间均通过模式转换器连接；所述的多模干涉耦合器通过两个第三单模波导连接两个第二光电探测器。
所述的波导光栅耦合器采用波导型二维光栅耦合器，波导光栅耦合器的光栅区域采用与第一单模波导及第二单模波导折射率不同的材料制成二维阵列。
所述光栅区域的二维阵列为孔阵列或者狭缝阵列，孔阵列的孔型为方形或者圆形。
所述连接同一个多模干涉耦合器的两个第一单模波导的长度相同。
所述的波导光栅耦合器、模式转换器、多模干涉耦合器、第一单模波导、第二单模波导、第三单模波导、第一光电探测器、第二光电探测器均采用光波导型器件，制作在光波导材料衬底上。所述的光波导材料衬底选用绝缘体上硅、二氧化硅、氮化硅或者磷化铟。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：单模光纤中光的偏振态能够分解为两个相互正交的偏振态分量，两分量的强度、相位决定了光纤中传播的光的偏振态。当芯片外来自光纤的光波入射至波导光栅耦合器表面时，光波在光栅区域发生散射，耦合进入芯片，由于波导光栅耦合器是偏振敏感器件，能够将光纤中偏振方向垂直于波导光栅耦合器输出方向的光分量耦合进入对应的一组输出端口，因此实现对光纤中相互正交的偏振分量的分束。同时，当光波耦合进入芯片内时，其传播方向发生了90°的变化，此时原本两个在光纤中相互正交的偏振分量，在波导中沿芯片平面内传播时，它们的偏振方向都处在芯片内，两分量具有相同的偏振态类型。此外，对于耦合进入同一组输出端口的光波而言，此波导光栅耦合器还具有3dB分束的作用，两端口得到的光强相等，传播方向相反。波导光栅耦合器四个输出端口的光波经过模式转换器完成多模向单模的转变，进入第一单模波导和第二单模波导。其中相邻的两个第二单模波导直接与第一光电探测器连接，完成对单模光纤中相互正交的偏振光分量的强度检测。第一单模波导与多模干涉耦合器相连，通过多模干涉效应将两路光波的相位差转换为多模干涉耦合器两个输出端口中光强度差，最后通过第三单模波导传输出去，被第二光电探测器检测，得到能够反映相位差的电信号，完成对单模光纤中光的偏振态的检测。本发明所涉及的器件基于光波导器件，能够集成在同一衬底上，具有较高的集成度，有望在光通信、片上/片间光互连领域得到应用。
附图说明
图1本发明检测芯片的电路结构示意图；
图2本发明波导光栅耦合器的结构示意图；
图3本发明波导光栅耦合器的三维结构示意图；
图4本发明波导光栅耦合器的偏振分束原理示意图；
图5本发明偏振分束耦合输出仿真光谱图；
图6本发明多模干涉耦合器场强分布图；
图7本发明多模干涉耦合器输出光谱图；
附图中：11-波导光栅耦合器；12-模式转换器；13-多模干涉耦合器；14-第一单模波导；15-第三单模波导；16-第二单模波导；17-第二光电探测器；18-第一光电探测器；21-光栅区域；22-第一输出端口；23-第二输出端口；24-第三输出端口；25-第四输出端口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1，本发明基于波导光栅耦合器的光偏振态检测芯片包括：
一个四输出波导光栅耦合器11；
四个模式转换器12位于波导光栅耦合器11的四个输出端口，四个输出端口包括沿周向依次排布的第一输出端口22、第二输出端口23、第三输出端口24、第四输出端口25。
一个多模干涉耦合器13；
六个单模波导，其中两个第一单模波导14用于连接模式转换器12和多模干涉耦合器13，两个第三单模波导15用于连接多模干涉耦合器13和第二光电探测器17，两个第二单模波导16用于连接模式转换器12和第一光电探测器18；
四个光电探测器，包括两个第二光电探测器17和两个第一光电探测器18。
其中，波导光栅耦合器11是波导型二维光栅耦合器，其光栅区域21由与波导折射率不同的材料的二维阵列组成，如果是空气，则该阵列可以是孔阵列(方孔、圆孔等)，也可以是狭缝阵列(也就是由波导材料构成的柱状结构阵列)，如果是其他材料，则可以视为由该材料填充了孔阵列或狭缝阵列；该波导光栅耦合器11的四个输出端口分为相互垂直的两组，即如图2中所示，第一输出端口22和第三输出端口24为一组位于纵向，第二输出端口23和第四输出端口25为一组位于横向。波导光栅耦合器11作为光的输入接口，能够将光纤内光波的两个相互正交的偏振分量(图3中P1和P2)分别耦合进入光栅耦合器的两组输出端口，其中偏振方向垂直于水平方向的分量P2被耦合进入第二输出端口23和第四输出端口25，偏振方向平行与水平方向的分量P1被耦合进入第一输出端口22和第三输出端口24。然后，四路光波进入四个相同的模式转换器12，经模式转换后进入第一单模波导14、第二单模波导16。同时，片外光纤中出射光的两相互正交的偏振分量在经过波导光栅耦合器11进入芯片后，两分量的偏振态转换为波导中相同的偏振态。多模干涉耦合器13具有两个输入端口和两个输出端口，其输入端口与波导14相连，输出端口与波导15相连。六个波导为单模波导，其中用于连接模式转换器12和多模干涉耦合器13的两个第一单模波导14的长度相同。
四个光电探测器完成光信号至电信号的转换，其所输出的电信号的强度与其输入光的强度相关。其中，两个第一光电探测器18直接检测两相互正交偏振分量P1和P2耦合进入第二单模波导16中的强度，第二光电探测器17则检测多模干涉耦合器13的两个输出端第三单模波导15中光的强度，第三单模波导15中的光强与P1、P2两偏振分量的相位差相关。
波导光栅耦合器11、模式转换器12、多模干涉耦合器13、波导、光电探测器均为光波导型器件，制作在常见的光波导材料衬底上，如绝缘体上硅、二氧化硅、氮化硅、磷化铟等，不同的材料其相应的器件参数也不同，因此为了方便进行叙述，本发明具体实施例中衬底材料选为绝缘体上硅(SOI)，其顶层硅厚度为220纳米，埋氧层厚度为2微米。
本实施例所式的光偏振检测芯片工作在1.58微米波长附近，光栅耦合器11采用刻蚀方孔并填充二氧化硅材料构成二维阵列，具体的参数为：
光栅周期为565纳米，占空比0.45(未刻蚀区域占总周期的比例)，刻蚀深度70纳米，周期数17；模式转换器12的长度为200微米，宽度由15微米向500纳米渐变；单模波导的宽度为500纳米；多模干涉耦合器13宽度为3微米，长度32微米；光电探测器的材料为波导型锗探测器，PIN结构，宽度为5微米，长度25微米。
当光纤中相互正交的两偏振分量P1、P2电场强度比例为1:2、相位差为0.25π时，本实施例的偏振分束耦合输出仿真光谱如图4所示。图中曲线为光栅耦合器第一输出端口22、第二输出端口23的光谱曲线，光强比例约为1:4，与两偏振分量电场强度比例1:2吻合。两路光信号经第一光电探测器18转换为电信号，得到两偏振分量P1、P2的强度信息。
图5所示为当光纤中相互正交的两偏振分量P1、P2电场强度比例为1:1、相位差为0.25π时，本实施例的2×2多模干涉耦合器13的电场分布图，图6所示为此时多模干涉耦合器13两个输出端口的光谱曲线，由于两偏振分量之间相位差的存在，在经过多模干涉耦合器13后，虽然两输入端口光强相同，但两输出端口光强有显著差别，此强度差与相位差直接相关。多模干涉耦合器13两输出端口的光信号进入第三单模波导15，经光电探测器17转换为电信号，得到两偏振分量P1、P2的相位差信息。综合光电探测器的电信号，得到入射光纤中相互正交的两偏振分量P1、P2的强度信息、相位差信息，由此检测得到光纤中光波的偏振态。
以上内容对本发明的目的、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 (4)

1.一种基于波导光栅耦合器的光偏振态检测芯片，其特征在于：包括具有光栅区域(21)以及四个输出端口的波导光栅耦合器(11)，波导光栅耦合器(11)的四个输出端口划分为相互垂直的两组，两组输出端口分别通过第一单模波导(14)连接同一个多模干涉耦合器(13)，并分别通过第二单模波导(16)连接两个第一光电探测器(18)；所述的第一单模波导(14)、第二单模波导(16)与波导光栅耦合器(11)的输出端口之间均通过模式转换器(12)连接；所述的多模干涉耦合器(13)通过两个第三单模波导(15)连接两个第二光电探测器(17)；所述的波导光栅耦合器(11)采用波导型二维光栅耦合器，波导光栅耦合器(11)的光栅区域(21)采用与第一单模波导(14)及第二单模波导(16)折射率不同的材料制成二维阵列；所述连接同一个多模干涉耦合器(13)的两个第一单模波导(14)的长度相同。
2.根据权利要求1所述基于波导光栅耦合器的光偏振态检测芯片，其特征在于：所述光栅区域(21)的二维阵列为孔阵列或者狭缝阵列，孔阵列的孔型为方形或者圆形。
3.根据权利要求1所述基于波导光栅耦合器的光偏振态检测芯片，其特征在于：所述的波导光栅耦合器(11)、模式转换器(12)、多模干涉耦合器(13)、第一单模波导(14)、第二单模波导(16)、第三单模波导(15)、第一光电探测器(18)、第二光电探测器(17)均采用光波导型器件，制作在光波导材料衬底上。
4.根据权利要求3所述基于波导光栅耦合器的光偏振态检测芯片，其特征在于：所述的光波导材料衬底选用绝缘体上硅、二氧化硅、氮化硅或者磷化铟。
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