CN108352922B - 用于处理光学信号的装置、系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于处理信号的装置（100），该装置包括偏振模块（102），其配置成接收包括多个波长的多波长光学输入信号（Si），并且对于每个波长。偏振模块配置成将每个波长的具有第一偏振模式的组成转化成具有第二不同的偏振模式的转化后组成。该装置还包括处理模块（104，106，114，128），其配置成将每个波长的转化后组成与采用所述第二偏振模式接收的每个波长的直接组成进行组合。处理模块配置成生成仅仅具有所述第二偏振模式的多波长光学输出信号（So）。

Description

用于处理光学信号的装置、系统和方法

技术领域

本公开涉及用于处理光学信号的装置、方法和系统。

背景技术

利用集成半导体光子电路作为高速光学互连的并行光学收发器，并且现在有可能将光学互连的容量缩放至100 Gbps及以上。此类互连的延伸范围可高达几十千米。光子电路的集成等级可通过在大小为几平方毫米的小芯片上引入许多光学处理电路来进行缩放，例如以便在针对移动前传和回传网络的新兴光学传输应用中使用以及在针对数据中心的光学电路切换中使用。这些电路可利用互补金属-氧化物-半导体（CMOS）技术光子学。

这些应用可利用多波长技术，并且通常利用波分复用（WDM）来减少容纳此类集成半导体光子电路的芯片的大小，并且还减少在这些芯片上所要求的输入/输出端口的数量。

在光学网络中互连的半导体光子芯片中传送高速WDM信号可要求将半导体光子电路与标准单模光纤（SMF）进行接口。SMF区段的长度能够介于100 m到10 Km之间。

通过SMF传送光学信号使得那些光学信号易受偏振模色散（PMD）的影响。PMD是由SMF的随机变化的双折射引起的随机现象，它造成正在被传送的光学信号的偏振模式发生变化。这造成在半导体光子电路处进行接口的问题。

现有解决方案可利用设置在半导体光子芯片的输入处的偏振分集结构，例如如Chao Li, Jing Zhang, Jeong Hwan Song, Huijuan Zhang, Shiyi Chen, Mingbin Yuand G.Q Lo “Semiconductor Polarization Diversity Optical Tunable FilterCircuits with Fiber Assembly”（Proceedings of 2011 IEEE Micro-Wave Photonics）所描述。这种解决方案导致增加的芯片面积、增加的复杂度、更高的损耗和/或更高的制造和实现成本。

考虑到上面这些而构思方面和实施例。

发明内容

第一方面提供一种用于处理信号的装置，该装置包括偏振模块，偏振模块配置成接收包括多个波长的多波长光学输入信号，并且对于每个波长。偏振模块配置成将每个波长的具有第一偏振模式的组成转化为具有第二不同的偏振模式的转化后组成。该装置还包括处理模块，它配置成将每个波长的转化后组成与采用所述第二偏振模式接收的每个波长的直接组成加以组合。处理模块配置成生成仅仅具有所述第二偏振模式的多波长光学输出信号。

因此，将具有第一和第二偏振模式的任意组合的多波长（WDM）光学信号处理成具有所述偏振模式中的只一个偏振模式的单个输出。

可选地，处理模块包括配置成对从偏振模块接收的转化后组成和/或直接组成的每个波长施加第一相位偏移的第一光学相移模块。处理模块还包括配置成接收转化后组成和直接组成的第一光学耦合器，其中转化后组成和直接组成中的至少一个组成被相位偏移第一相位偏移。第一光学相移模块配置成施加第一相位偏移，使得第一光学耦合器输出具有大体上相同功率的第一和第二光学信号。

可选地，处理模块包括配置成对从第一光学耦合器接收的第一和/或第二光学信号的每个波长施加第二相位偏移的第二光学相移模块。处理模块还包括配置成接收第一和/或第二光学信号的第二光学耦合器，其中第一和/或第二光学信号中的至少一个光学信号被相位偏移第二相位偏移。第二光学相移模块配置成施加相位偏移，使得耦合器输出仅仅具有所述第二偏振模式的组合多波长光学信号。

在第二方面中，一种光学通信系统包括传送器和接收器。传送器配置成沿光纤传送包括多个波长的多波长光学信号。接收器包括用于处理信号的装置。该装置包括偏振模块，偏振模块配置成接收包括所述多个波长的多波长光学信号，并且对于每个波长，偏振模块配置成将每个波长的具有第一偏振模式的组成转化成具有第二不同的偏振模式的转化后组成。该装置还包括配置成将每个波长的转化后组成与采用所述第二偏振模式接收的每个波长的直接组成加以组合的处理模块，其中处理模块配置成生成仅仅具有所述第二偏振模式的多波长光学输出信号。

可选地，传送器配置成传送被选择在确定的带宽内的波长，其中确定带宽以使得带宽内波长的偏振模式具有在波长之间大体上均匀的变化。

可选地，通过下式定义确定的带宽：

其中

是确定的带宽（单位：纳米），并且

是平均差分群组延迟（单位：皮秒（ps）），并且可选地，其中

其中PMD coeff.是指示光纤的相位调制色散的系数（单位：

），并且L是传送器和接收器之间的光纤的长度（单位：千米）。

在第三方面中，一种用于处理信号的方法包括接收含有多个波长的多波长光学输入信号，并且对于每个波长，将每个波长的具有第一偏振模式的组成转化成具有第二不同的偏振模式的转化后组成。该方法还包括将每个波长的转化后组成与采用所述第二偏振模式接收的每个波长的直接组成加以组合。该方法还包括生成仅仅具有所述第二偏振模式的多波长光学输出信号。

在第四方面中，一种光学通信方法包括沿光纤传送包括多个波长的多波长光学信号，以及接收包括所述多个波长的多波长光学信号，并且对于每个波长，将每个波长的具有第一偏振模式的组成转化成具有第二不同的偏振模式的转化后组成。该方法还包括将每个波长的转化后组成与采用所述第二偏振模式接收的每个波长的直接组成加以组合，以及生成仅仅具有所述第二偏振模式的多波长光学输出信号。

附图说明

现在将参考图仅仅作为举例描述本公开的实施例，图中：

图1a示意性地示出根据实施例的装置；

图1b示意性地示出根据实施例的偏振模块；

图1c示意性地示出根据实施例的偏振模块的截面图；

图1d示意性地示出根据实施例的第一光学耦合器；

图1e示意性地示出根据实施例的第二光学耦合器；

图2示出根据实施例的方法步骤；

图3a示意性地示出根据实施例的包括装置的系统；

图3b示出根据实施例的方法步骤；

图3c示出根据实施例来自包括装置的系统的输出；以及

图4示意性地示出根据实施例的备选偏振模块。

具体实施方式

我们现在参考图1a根据第一实施例描述装置100。

装置100可以是半导体光子电路或形成半导体光子电路的一部分。装置100可作为单个集成光子装置或电路实现，以便避免通过光纤互连而造成偏振变化的风险。装置100包括偏振处置块102、第一光学耦合器104和第二光学耦合器106。偏振处置块102布置成通过第一输入端口110耦合到单模光纤区段108。偏振处置块102包括第一输出端口112a和第二输出端口112b。第一输出端口112a耦合到第一光学移相器114。第一光学移相器114耦合到第一光学耦合器104的第一输入端口118a。第二输出端口112b耦合到光学波导的第一内部区段116。因此，第二输出端口112b直接耦合到第一光学耦合器104的第二输入端口118b。

第一光学耦合器104具有第一输出端口126a和第二输出端口126b。第一输出端口126a耦合到光学波导的第二内部区段130。因此，第一输出端口126a直接耦合到第二光学耦合器106的第一输入端口132a。第二输出端口126b耦合到第二光学移相器128。第二光学移相器128耦合到第二光学耦合器106的第二输入端口132b。

第二光学耦合器106具有用于经过处理的信号的单个输出140。

偏振处置块102（备选地称为偏振模块）可被视为是通常接收具有第一偏振模式（TM）和不同的第二偏振模式（TE）的波长。偏振处置块102配置成将第一偏振模式（TM）的组成转化成不同的第二偏振模式（TE）的组成。每个波长的这种改变后的信号可称为转化后信号。偏振处置块还配置成输出未经偏振模式转化的第二偏振模式的接收组成，即，作为直接信号。从偏振处置块102的分开的输出来输出转化后信号和直接信号。

第一和第二光学移相器114、128与第一和第二光学耦合器104、106可视为是处理模块。如下所述，处理模块配置成接收对于每个波长的第一和第二输入。第一和第二输入之一接收转化后信号，即，具有已从不同的偏振模式（例如，TM）转化的特定偏振模式（例如，TE）。第一和第二输入的另一个输入接收直接信号，即，具有直接来自接收的WDM信号（即，未经转化）的相同偏振模式。因此，在处理模块所接收的两个输入具有相同偏振（TE）。

处理模块104、106、114、128配置成输出具有相同偏振模式（其为第二偏振模式（TE））的单个输出。如下所述，处理模块配置成（例如，利用第一光学移相器114）控制直接信号和转化后信号之间的相位差（使其同相），以便（例如，通过第一光学耦合器104）将接收的直接信号和转化后信号转化成相同功率的两个光学信号。处理模块还配置成组合每个波长的所述两个相同功率光学信号。组合通过控制所述两个相同功率信号的相位（例如，利用第二光学移相器，使其π/2异相）来进行，从而使得处理模块的元件（例如，第二光学耦合器106）将来自它的两个输入的所有接收功率输出到单个光学输出。

图1b和1c示出以偏振分离器-旋转器（PSR）形式的偏振处置块102的示例。备选地，可使用其它类型的PSR。参考图1c描述偏振处置块102的示例截面布局，并参考图1b描述偏振处置块102的示例拓扑布局。

参考图1c，示范偏振处置块102包括从隐埋氧化物（BOX）层164和半导体层166形成的基底部分162，以用于形成肋形和通道波导。然后，在半导体层166上形成半导体氧化物层168。然后，在半导体氧化物层168上沉积半导体氮化物子区段区段148、150、160a和160b。

现在参考图1b描述用于形成偏振处置块102的半导体层166和半导体氮化物子区段148、150、160a和160b的拓扑布局。

在图1b中，偏振处置块102包括模式转化器部分102a、绝热耦合部分102b和模式分离器部分102c。

模式转化器部分102a包括第一142和第二144波导区段。第一波导区段142包括沿它的长度在宽度上增加的到均匀的第二半导体区段146b的半导体区段146a以及在宽度上减小的第三半导体区段146c。第二波导区段144包括沿它的长度在宽度上增加的第一半导体氮化物子区段148。在第一半导体氮化物子区段148的末端，那里开始了锥化到顶点的第二半导体氮化物子区段150。

绝热耦合部分102b包括绝热耦合器154。绝热耦合器154包括间隔一定间隙的第一和第二交互式半导体波导156a和156b。

第一半导体波导156a具有在绝热耦合器154的交互长度上减小的起始宽度。第二半导体波导156b在绝热耦合器154的交互长度上在宽度上变宽。

然后，第一和第二半导体波导156a、156b分叉以形成模式分离器部分102c的第三158a和第四158b半导体波导。第三158a和第四158b半导体波导各自耦合到相应的半导体氮化物输出波导160a、160b。

当光学信号传播到偏振处置块102中时，光学信号首先到达模式转化器部分102a。在模式转化器部分102a中，对于所有波长组成的横向电偏振模式和横向磁偏振模式在很大程度上保持不变，直到光学信号的传播到达半导体区段152。在此点，半导体区段152开始变宽，同时第二半导体氮化物区段150保持不变。

半导体和半导体氮化物的光学性质，特别是双折射不相同。光学信号传播经过的光学材料的双折射中的这种差异造成横向磁偏振模式的有效折射率（n_eff）增加。这首先造成对于每个波长组成的横向磁偏振模式在成为对于每个波长组成的一阶横向电偏振模式（TE1）之前变成具有横向磁偏振模式和横向电偏振模式二者的光学特性的混合模式。那就是说，利用半导体区段152和第二半导体氮化物区段150来引导多波长光学信号造成对于每个波长组成的横向磁偏振模式（TM）在模式转化器部分102a的输出转化成一阶横向电偏振模式。

传播的光学信号的横向电偏振模式在模式转化器部分102a的输出保持为零阶横向电偏振模式（TE0）。因此，来自第一和第二波导142和144（即，在模式转化器部分102a的输出）的输出是第一和第二输出横向电偏振模式。

对于每个波长组成的第一和第二输出横向电偏振模式继续传播到绝热耦合器部分102b。对于每个波长组成的第一和第二输出电偏振模式保持限制在绝热耦合器156的第一半导体波导156a中，直到第二半导体波导156b变宽并且第一半导体波导变窄，其中由于第一156a和第二156b半导体波导之间的绝热耦合，对于所有波长组成的第二输出横向电偏振模式变成大体上限制在第二半导体波导156b中，并且第一输出横向电偏振模式保持在第一半导体波导156a中。

对于每个波长组成的第一输出横向电偏振模式从第一半导体波导156a传播到第三半导体波导158a，并且对于每个波长的第二输出横向电偏振模式从第二半导体波导156b传播到第四半导体波导158b。

第三158a和第四158b半导体波导只能引导零阶横向电偏振模式（通常称为基模式），并且因此，第二输出横向电偏振模式在第四半导体波导158b中演变成零阶横向电偏振模式。因此，对于所有波长组成，来自第三158a和第四158b半导体波导的输出是横向电偏振模式。

第三158a和第四158b半导体波导的配置意味着，只能引导横向电偏振模式。这提供了装置100的偏振不敏感性，因为在偏振处置块102之后，即只有横向电偏振模式传播通过装置100。

接着，第一和第二输出零阶横向电偏振模式传播到相应的半导体氮化物输出波导160a和160b。然后，在步骤S204中，第一和第二输出零阶横向电偏振模式变成第一和第二光学输出信号。半导体氮化物输出波导160a和160b耦合到第一和第二输出端口112a和112b，它们使得第一光学输出信号能够传播到第一移相器114并使得第二光学输出信号能够传播到第一内部光学波导116。

现在参考图1d描述第一光学耦合器104的示例实现。第一光学耦合器104是常规3dB耦合器，并且将明白，可使用其它耦合器构造。第一光学耦合器104包括第一118a和第二118b输入端口。第一输入端口118a耦合到第一光学移相器114。第二输入端口118b耦合到单模光学波导的第一内部区段116。第一光学耦合器104还包括第一120a和第二120b波导。第一波导120a包括第一122a、第二122b和第三122c波导区段。第二波导120b包括第一124a、第二124b和第三124c波导区段。相应的第一波导区段朝向相应的第二波导区段朝向彼此会聚。相应的第二波导区段在交互长度L1上彼此足够靠近以使得能够在相应的第二波导区段之间交换能量。在相应的第二波导区段的顶点之后，第一和第二波导在相应的分叉第三波导区段中达到顶点，以将传播的光学信号引导向第一126a和第二126b输出端口。

现在参考图1e描述第二光学耦合器106。第二光学耦合器106是常规3 dB耦合器，并且将明白，可使用其它耦合器构造。在一些示例中，第一和第二3db耦合器属于相同类型。第二光学耦合器106包括第一132a和第二132b输入端口。第一输入端口132a耦合到第二内部光学波导130。第二输入端口132b耦合到第二光学移相器128。

第二光学耦合器包括第一134a和第二134b波导。第一波导134a包括第一136a、第二136b和第三136c波导区段。第二波导134b包括第一138a、第二138b和第三138c波导区段。相应的第一波导区段朝向相应的第二波导区段朝向彼此会聚。相应的第二波导区段在交互长度L2上彼此足够靠近以使得能够将能量从波导区段136b完全传递到波导区段138b。在相应的第二波导区段的顶点之后，第一和第二波导在相应的分叉第三波导区段中达到顶点，以将在传播的光学信号引导向输出端口140。第一和第二输入端口处的所述两个光学信号的相位差为大体上所有输出光学信号处于输出端口140处提供保证。作为在波导区段136和138b之间完全传递能量的结果，在最佳操作状态中，波导区段136c将不引导光学信号的任何组成。

可对第一和/或第二光学相移模块114和128进行控制以便改变施加的相位偏移。例如，以电子方式控制施加的相位偏移。在一些示例中，通过由可变电功率源驱动的金属加热器控制相位偏移。当电流经过加热器时，将相位偏移施加到传播经过相应的第一和第二光学相移模块114和128的多波长组成的波长组成。将理解，可利用其它功率源来驱动第一和第二光学相移模块114和128。例如利用处理器来控制相位偏移，以便确保将正确的相位输出到随后的光学耦合器，如下文所描述。可对第一和第二移相器进行控制以便响应于在改变的输入相位（例如，由于光纤上的热或机械应力导致变化的相位调制色散）而进行变化并补偿在改变的输入相位。

在一个实施例中，通过在第二3 dB耦合器106的波导区段136c的输出执行光检测，来控制第一和/或第二光学相移模块114和/或128的相位改变。在一些方面中，测量单元配置成测量装置的参数，并提供反馈以便控制第一和/或第二光学移相器。例如，利用光电二极管来检测光学功率。对由第一和/或第二光学相移模块114和/或128施加的相位偏移进行控制以便找到波导区段136c处的最小光检测的条件，即，最大黑暗。在另一个实施例中，测量单元通过抽取（tap）第二3 dB耦合器106的波导区段138c的光输出的一小部分来测量输入信号。装置100配置成找到和维持最大光的条件。响应于该测量而控制第一和/或第二光学相移模块114和/或128的相位改变。在进一步示例中，测量单元可检测任何光学信号的相位，以便控制施加的第一和第二相位偏移。因此，即使从偏振处置块接收的相对相位随时间改变，在第一和第二光学耦合器接收的相对相位被维持。

现在我们将参考图1a到1e和图2来描述如何利用装置100处理多波长光学信号。

参考图2，在步骤S200中，沿光纤区段108传送多波长光学信号Si。光学信号Si是WDM信号。传送WDM信号的传送器是集成光子装置或电路。在一些示例中，传送器配置成用于点到点应用，例如在无线电接入网络中互连的数字单元（DU）或远程无线电单元（RRU）。在相同地方中生成WDM波长，并且这些波长的传输使所有波长在偏振上对准。在进一步示例中，多个装置通过光学网络中的光纤连接。例如，光学网络可包括一个或多个可配置的光分插复用器（ROADM）。一些被传送的波长可被绕过，并且一些可被添加。

对于任何示例，传送器可作为硅光子装置实现。因此，使所有波长是偏振对准的，因为硅光子装置生成单个偏振，并且所有波长都将TE对准。

在沿光纤108传送WDM信号期间，例如取决于温度和其它环境因素，相应信号的每个波长的偏振以一般不可预测的方式改变。

从光纤108接收的光学信号（Si）一般是椭圆偏振的。那就是说，每个波长组成包括横向电偏振（TE）模式和横向磁偏振（TM）模式。在椭圆偏振中，横向电偏振模式和横向磁偏振模式具有任意振幅和相位。因此，在装置输入110，光学信号Si的所有波长一般具有相同的椭圆偏振（具有TE中的组成和TM中的组成），所述椭圆偏振具有任何振幅和相对相位。

但是，波长的偏振将因为由光纤108的随机变化的双折射造成的色散（PMD）而各自均匀地改变，这造成正在被传送的光学信号的偏振模式中的改变。

如下文将更详细地描述，将要被传送的波长选择在预定带宽内。确定带宽以使得带宽内的波长具有含有在波长中大体上均匀的变化的偏振模式。因此，如果波长在光纤108的定义带宽（又称为主偏振态带宽

）内，那么每个波长的偏振将与每个其它波长一致地改变。因此，可将所有传送的波长视为在光纤108的输出和装置100的输入处偏振对准。因此，传送器配置成只传送这样的波长，对于所述波长偏振模色散大体上相同并且因此接收装置100能够按照输入WDM信号进行处置。

在步骤S202中，由于在光纤区段108和偏振处置块102之间的输入110处耦合，沿光纤区段108传播多波长光学信号导致将多波长光学信号馈送到偏振处置块102中。

偏振处置块102配置成接收WDM信号，其中每个波长包括横向电偏振TE模式和横向磁偏振TM模式的组成。偏振处置块102配置成将椭圆偏振的信号Si的横向磁偏振模式组成转化成横向电偏振模式。偏振处置块102配置成只输出具有一个或多个横向电偏振模式的波长。偏振处置块102具有两个输出：一个用于输出接收的横向电偏振模式，并且一个用于输出从横向磁偏振模式转化的横向电偏振模式。

一般来说，由于光纤108的差分群组延迟，接收的多波长光学输入信号Si将包括椭圆偏振的载波信号。备选地，可将这些波长视为是光学载波信号。可以（例如，通过传送器）对波长或载波信号进行调制以便携带信息。由于传送的波长都在光纤的主偏振态带宽内，所以每个载波信号（波长）将具有大体上相同的任意偏振态。偏振模块102（又称为偏振处置块102）将椭圆偏振的载波信号分解成它们的横向电TE和横向磁TM模式组成信号，并接着将横向磁TM模式信号转化成横向电TE模式信号。然后，将转化后信号和直接得到的信号作为根据椭圆偏振的信号Si的状态而具有任意振幅和相位的相同模式的相应信号输出。

因此，偏振处置块102提供如下效果，即对于所有波长将光学输入信号Si的横向磁偏振模式转化成横向电偏振TE模式。这意味着，跟在偏振处置块102之后的元件只需处理横向电偏振TE模式，从而避免对光子处理电路的重复，这在成本、芯片有效面积（chip realestate）和功耗方面具有益处。

尽管上文关于图1b描述了偏振处置块102，但是将被理解的是，也可利用偏振分离器和旋转器来分离横向电偏振模式和横向磁偏振模式，并旋转横向磁偏振模式以形成横向电偏振模式，然后输出均包括横向电偏振模式的两个信号。

在步骤S206中，第一移相器114对来自偏振处置块102的输出之一（例如，第一输出光学信号S1）的每个波长组成施加相位偏移。连续地控制由第一移相器114施加的相位偏移以与偏振处置块102的所述两个输出信号S1、S2之间的相位差相等并相反，以便使第一和第二信号S1、S2在第一光学耦合器104的相应输入处同相。通过第一内部波导116使第二输出光学信号S2的相位大体上不变。因此，对第一光学输出信号S1的每个波长组成进行相位偏移，并且在相位偏移之后，被进行相位偏移的第一输出光学信号S1a的波长组成与第二输出光学信号S2的每个波长组成同相。

被进行相位偏移的第一输出光学信号S1a继续传播到第一光学耦合器104的第一输入端口118a。第二输出信号S2继续传播到第一光学耦合器的第二输入端口118b。

第一光学耦合器104是3-dB光学耦合器。第一输出光学信号S1a的被进行相位改变的波长组成传播到第一波导120a的第一波导区段122a中，其将第一输出光学信号的波长组成引导向第一波导120a的第二波导区段122b。第二输出光学信号S2的波长组成传播到第二波导120b的第一波导区段124a，其将第二输出光学信号S2的波长组成引导向第二波导120a的第二波导区段124b。

当第一和第二输出光学信号S1a、S2（即，进入到第一光学耦合器104中的光学信号）的波长组成同相地传播时，第一光学耦合器104输出相同光学功率的两个输出信号。具体来说，在步骤S208中，在相应的第二波导区段122b和124b中，发生能量交换，这在第一和第二输出光学信号的波长组成之间同等地分布功率，以形成第三和第四光学输出信号S3、S4，它们具有相同的光学功率，其接着分别传播向相应的分叉第三波导区段122c和124c。

第三波导区段分别耦合到第一和第二输出端口126a和126b。第三光学输出信号S3的波长组成通过耦合到第二内部波导区段130的第一输出端口126a传播。第四光学输出信号S4的波长组成通过第二输出端口126b传播到第二光学移相器128。

第一光学移相器114的效果是使第一和第二信号S1、S2在第一光学耦合器104的输入处同相，这使得第一光学耦合器104能够生成具有相同功率并且具有根据第一和第二信号S1、S2的功率分布的相位差的第三和第四输出信号S3、S4。第三和第四光学输出信号S3、S4中的每个信号对于每个波长组成只包括横向电偏振模式。

在步骤S210中，第二光学移相器128对第四光学输出信号S4的波长组成施加连续可变的第二相位改变，使得在第二光学耦合器106的相应输入处，被进行相位偏移的第四光学输出信号和第三光学输出信号之间的相位差为π/2。由第二移相器128施加的可变相位偏移使得只从一个特定输出来输出在第二光学耦合器106处的所有光，这将在下文描述。因此，第二移相器为进入到第二光学耦合器106的具有相同功率的所述两个光学输入之间的相位差（π/2）提供保证，第二光学耦合器106为到第二光学耦合器106的两个输出中的一个定义输出的所有或最大功率提供保证。

第二内部波导区段130耦合到第二光学耦合器106的第一输入端口132a，并且第二光学移相器128耦合到第二光学耦合器106的第二输入端口132b。因此，第三光学输出信号的波长组成传播到第二光学耦合器106，并且相位偏移后的第四光学输出信号传播到第二光学耦合器106。

第二光学耦合器106是3-dB光学耦合器。第二光学耦合器106具有单个输出端口140，所有WDM信号被指向所述单个输出端口140。由于对施加到其相应输入的信号的相位偏移和振幅进行恰当选择（即，如果信号具有相同振幅和π/2异相的话），故所有光被耦合到所述单个输出端口中。

在第二光学耦合器106处，第三光学输出信号的波长组成传播到第一波导134a的第一波导区段136a，其中将它引导到第一波导134a的第二波导区段136b。第四光学输出信号的波长组成传播到第二波导134b的第一波导区段138a，其中将它们引导到第二波导134b的第二波导区段138b。

相应的第二波导区段彼此足够靠近以使得能够在第二波导区段之间进行能量传递。由于第三和第四光学输出信号的波长组成同相，所以将所有光学功率传递到单个输出端口140，这使得能够在装置100的输出来形成光学输出信号（So），光学输出信号So包括多个波长组成，每个波长组成包括横向电偏振模式(在步骤S212中)。

第二光学移相器128的效果是使第三和第四信号S3、S4在第二光学耦合器106的输入处于正确的相位差π/2，这使得第二光学耦合器106能够生成包括具有相同横向电偏振模式的多波长光学信号的单个输出信号（So）。

一般来说，由于光纤的差分群组延迟，所以接收的多波长光学输入信号将包括椭圆偏振的载波信号。因为传送的波长都在光纤的主偏振态带宽内，所以每个载波信号都将具有大体上相同的任意偏振态。偏振模块将椭圆偏振的载波信号分解成它们的横向电和横向磁模式组成信号，并接着将横向磁模式信号转化成横向电信号，或反之。

接着，将转化后的以及直接导出的信号作为根据椭圆偏振的信号的状态具有任意振幅和相位的相同模式的相应信号来输出。然后，第一光学相移模块使所述两个信号在第一光学耦合器的输入来被置于第一相位，这使得光学耦合器能够输出具有相同功率且带有根据所述两个输入信号的功率分布的相位差的两个信号。接着，第二光学相移模块使所述两个信号在第二光学耦合器的输入来被置于第二相位，这使得光学耦合器能够输出包括多波长光学信号的单个信号，所述多波长光学信号具有相同振幅和偏振模式。

也就是说，利用装置100来处理多波长光学信号使得能够将多波长信号的横向磁偏振模式转化成横向电偏振模式，并输出对于多波长信号的每个波长组成只包括单个（例如，横向电）偏振模式的单个多波长信号。装置100在无需用于横向电偏振模式的处理电路和用于横向磁偏振模式的单独处理电路的情况下转化多波长信号的横向磁偏振模式。这减小了被用于处理多波长光学信号的半导体光子电路的形状因子（form factor）。

另外，由于装置100只需单个电路集合和单个控制集合来对于每个波长组成将多波长光学信号的波长组成的横向磁偏振模式转化成横向电偏振模式，所以用于处理多波长光学信号的半导体光子电路的复杂度大大减小。

此外，由于装置100只输出包括横向电偏振模式的多波长光学信号，所以多波长输入信号的偏振模式能够是任意的。这样的效果是，装置100能够显著地减小随后的基于TE的处理电路中的偏振敏感性的影响。

这意味着，装置100能够被用于其中使用多波长光学信号的任何应用中，因为装置100将减少在随后的基于TE的处理电路中偏振敏感性的影响。

装置100在我们现在将描述的波分复用光学传输系统中提供额外益处。

在已通过光纤区段108传播包括诸如单个横向磁偏振模式的单个偏振态的光学信号的情况下，也可使用装置100。在此实例中，横向磁偏振模式将传播穿过如上所述的偏振处置块102，并在偏振处置块102的输出被转化成单个横向电偏振模式。由于偏振处置块102将只输出一个信号，所以将只把一个信号传播到第一光学耦合器104。由于第一光学耦合器104是3-dB耦合器，所以它仍将输出具有相同光学功率和根据第一和第二输出信号S1、S2的功率分布的相位差的两个输出信号。

装置100可作为WDM光学传输系统200中的信号处理电路的一部分使用，现在参考图3a来描述WDM光学传输系统200。例如，装置100可以是更大型电路的第一部分或接收器。装置100和/或更大型电路可以是集成光子电路或光子芯片。本领域技术人员将理解的是，传输系统200作为示例来被描述，并且描述的效果能够在任何光学传输系统中实现。

我们还利用图3b来描述通过传输系统200在传送多波长光学信号（Si）中的步骤。

示例传输系统200包括三个组成：传输模块200a、传输介质200b和接收器模块200c。传输系统200还包括控制单元220，它使得能够设置将利用传输系统200传送的信号的数量和/或选择那些信号的波长（在步骤S300中）。

示例传输模块200a（即，传送器）包括配置成生成所述多个波长的生成器单元。例如，生成器单元包括多个波长生成器，例如利用激光器202a、202b、202c和202d来为四个通道C1、C2、C3和C4生成光学信号。在一些示例中，激光器是分布式反馈（DFB）激光器。例如，在步骤S302中，生成的波长间隔200 GHz（大约1.6纳米）。如使用控制单元220所选择的，每个通道的波长分别是1554.5、1556.1、1557.7和1559.3纳米。当通过传输介质200b传送多波长光学信号时，这给定1.6纳米（或200 GHz）的通道间隔。传输模块200a还包括偏振维持耦合器204。

对通道C1、C2、C3和C4的波长进行选择，以便落在确定的波长带宽或主偏振态（PSP）的带宽内。具体来说，选择波长之间的间距和/或波长的数量，使得所有传送的波长都在确定的带宽内。在确定的波长带宽内，波长的偏振模式将均匀地改变，例如单模光纤的差分群组延迟将在频率上保持大体上恒定。

由所述生成器单元生成的在光纤的主偏振态带宽内的波长因而是这样的波长，其中传送的多波长光学信号的光学载波信号沿光纤经受相同的差分群组延迟，使得多波长光学信号的每个光学载波信号的偏振态在所述接收器模块处大体上对准，并且通常以椭圆偏振波的形式存在，这些椭圆偏振波能够分解成横向电偏振（TE）和横向电磁偏振（TM）模式波。

光纤的主偏振态带宽△λ包括沿光纤具有相当恒定的差分群组延迟（DGD）的波长范围，使得每个波长经受与带宽中的其它波长大体上相同的偏振变化。例如在A.Steinkamp, S. Vorbeck, E. Voges的“Polarization mode dispersion andpolarization dependent loss in optical fiber systems”（Optics East, 2004 - proceedings.spiedigitallibrary.org）中更详细地描述了定义主偏振态（PSP）带宽△λ的关系。

确定的带宽△λ（单位：纳米）可定义为：

其中

是传输介质200b的平均差分群组延迟（单位：皮秒），且它由下式给定：

其中PMD coeff.是指示光纤的相位调制色散的系数。PMD系数指示光纤的物理特性。L是传送器和接收器之间的光纤的长度。因此，PSP的带宽基于光纤的长度和光纤的相位调制色散的量。

PSP的带宽可定义为在其上能够假设PSP的一阶近似有效的频率范围。PSP带宽越小，PMD向量将随频率变化越多。PSP的带宽也可称为

。

对于

的PMD系数和10 km的光纤长度，可得到的

约为16 nm。

本公开的传送器和/或接收器配置成利用在等于或小于确定的带宽

的带宽上扩展的波长来进行操作。因此，传送的波长一起占据小于PSP带宽

的带宽。

选择该带宽中的波长的效果意味着，在通过光纤的整个传输中，相应波长的偏振态将保持大体上均匀。在一些方面中，差分群组延迟将保持恒定。这允许利用如上所述的接收模块（又称为接收器）处理所有波长。

在用于所述四个通道C1、C2、C3和C4中的每个通道的信号已被生成之后，它们穿过偏振维持耦合器204（又称为复用器或复用器单元），以便在波长复用过程期间保持对准。因此，传送器配置成传送具有对准的偏振态的波长。因此，波长的偏振态在光纤的输入处被对准。不管是一起生成光学波长还是对现有波长添加一些波长（例如，在ROADM中），情况都是如此。

所有的生成波长的线性偏振态在复用器的输入处被对准，并且以在传送到光纤中时维持它们的对准的方式来被复用。在沿光纤传送期间，不同波长由于差分群组延迟（DGD）而改变它们的偏振态。但是，由于所有波长被选择位于主偏振态的带宽内，所以DGD相当恒定，并且因此，在各种波长之间的偏振均匀性在光纤输出保持大体上恒定。

本公开能够实现通过一定长度的光纤（例如，SMF）将波长集合传送到具有低偏振敏感性和低损耗的单个偏振半导体光子电路。本公开避免光子处理电路的重复，这在成本、芯片有效面积和功耗方面具有益处，这些在具有大规模集成的电路中至关重要。

偏振维持耦合器204包括输入端口206a、206b、206c和206d，它们各自耦合到位于相应的DFB激光器202a到202d和相应的输入端口206a到206d之间的短光纤区段，以便将由所述四个DFB激光器202a到202d生成的光学信号传播到偏振维持耦合器中。

偏振维持耦合器204包括七个偏振维持波导区段208a、208b、208c、208d、208e、208f和208g。

区段208a和208b融合到区段208c。区段208d和208e融合到区段208f。区段208c和208f融合到区段208g。

在生成之后，用于所述四个通道中的每个通道的信号通过相应的输入端口206a、206b、206c和206d传播到偏振维持耦合器204中。由于相应的输入端口206a到206d耦合到相应的偏振维持波导区段208a、208b、208d和208e，所以信号各自传播到偏振维持波导区段208a、208b、208d和208e中。

由于区段208a和208b融合到区段208c，所以在区段208c中组合用于第一和第二通道的信号。类似地，在区段208f中组合用于第三和第四通道的信号。这样的效果是，产生第三和第四信号，它们是第一和第二信号以及第三和第四信号的相应组合。

区段208c和208f融合到区段208g意味着，接着组合第三和第四信号以形成作为来自所述四个通道中的每个通道的信号的组合的第五信号。也就是说，偏振维持耦合器204充当复用器以便在步骤S304中将用于所述四个通道中的每个通道的信号组合成包括对应于每个通道C1、C2、C3和C4的波长组成的单个多波长（WDM）信号。

由于波导区段208到208g是偏振维持区段，所以在通过传输介质200b传播之前，使所有通道的偏振态保持对准。可利用不同于偏振维持耦合器204的电路来复用对应于通道C1、C2、C3和C4的信号。接着，在步骤S306中，沿SMF区段 210将包括对应于每个通道C1、C2、C3和C4的波长组成的多波长光学信号传播到接收模块200c，其中SMF区段 210在输入端口110被耦合到装置100。

然后，在通过SMF区段210传播之后，在步骤S308中，由装置100接收多波长光学信号。由于波长组成集中在符合在波长带宽△λ内的波长处，所以波长组成的偏振态被光纤SMF 210均匀地改变。也就是说，由于各个波长组成落在波长带宽λ△内，所以已在光纤输入处对准的波长组成的偏振态在光纤传输期间以与彼此相同的方式演变。

在步骤S310中，装置100然后将每个波长组成的横向磁偏振模式转化成横向电偏振模式（如关于图1所描述）。这意味着，处理电路212按照单个横向电偏振模式在步骤S312中接收多波长光学信号的波长组成，并且其能够照此来处理多波长光学信号。

因此，在处理电路212处执行的处理不受偏振敏感性的影响，因为准确处理接收的光学信号的波长组成只需处理横向电偏振模式。

因此，如果处理电路212包括可操作以将任何波长组成转向更宽光学网络或处理电路的另一部分的光学开关，那么无需应用偏振补偿（其可由于处理电路中的偏振敏感性而被需要）便能够传送对应于波长组成的信号。

另外，可以是如下情况，在传输系统200中传送的通道的数量能够改变，即，需要在传输系统200中传送的波长组成的数量能够改变。

示例将是传输模块200a是否形成添加/丢弃布置的一部分，其中传输模块200a响应于在传输模块200a的上游接收到光学信号而生成信号。如果，比方说如上所述已将传输系统200配置成用于传送四个通道（即，C1、C2、C3和C4）并且比方说运营商希望添加两个通道（比方说C5和C6），那么倘若通道C5和C6的波长在波长带宽λ（包括通道间隔）内，则能够维持处理电路处的偏振不敏感性。这意味着，传输系统200是可缩放的，因为在SMF区段210对波长组成的偏振态进行对准并利用装置100来转化除了通道C1、C2、C3和C4以外的C5和C6的波长组成的磁偏振态（前提条件是所有通道的波长落在波长带宽△λ内）。

一般地，在诸如传输系统200的光学传输系统中添加通道以响应传输系统200中对容量的不断增加的需要。倘若向传输系统200添加的通道的波长在波长带宽△λ内，则能够维持处理电路处的偏振不敏感处理，前提条件是所有通道的偏振态在到光纤区段210的输入处被对准，并且包括对应于每个通道的波长组成的多波长信号在被馈送到处理电路之前被馈送到装置100。

使所有通道的偏振态在到光纤区段210的输入处被对准并在对信号进行处理之前利用装置100的效果通过利用集中在波长带宽△λ内的波长上的通道来被确保。因此，即使使用其它光纤区段，诸如例如色散补偿光纤、大有效面积光纤和色散偏斜光纤，也有可能实现类似效果，前提条件是通道的带宽落在利用光纤区段的平均差分群组延迟演算的波长带宽△λ内。在增加比特率的情况下，可值得期望的是实现涉及使用色散补偿光纤、大有效面积光纤和色散偏斜光纤的色散管理的系统。将被理解的是，即使传输介质包括不同于SMF的光纤，仍能够实现上文关于传输系统200所阐述的效果。

如上文参考图1所阐述的，装置100将从输出端口140b输出多波长光学信号，其中对应于每个通道（即，在1554.5纳米传播的C1、在1556.1纳米传播的C2、在1557.7纳米传播的C3和在1559.3纳米传播的C4）的波长只包括横向电偏振模式。只是作为示例描述了四个波长，并且可传送或接收更多或更少的波长。

图3c示出装置100和利用偏振维持耦合器204使偏振态对准所具有的对传送多波长光学信号的影响。

图3c示出通过在SMF区段210的输入处对准偏振态并利用装置100来去除处理电路212中的偏振敏感性（表示为补偿后）相比于不对准偏振状态并且不利用装置100来去除偏振敏感性（表示为补偿前），所能够获得的在接收光学功率中的差异。我们还能够看到，跨通道的功率不平衡（补偿后）在1 dB内，这表明所描述的方法跨越通道的稳定性，其中通道的波长落在波长带宽λ内。

可选地、另外地或备选地，偏振处置块102可包括如图4中所示的光栅耦合器400。光栅耦合器400布置成耦合到光纤区段402，使得光纤区段402垂直于光栅耦合器400。但是，如果在输出处提供恰当的补偿，则可使用光纤区段402和光栅耦合器400之间的任何附连角度。光栅耦合器400包括光栅元件404，其是直接毗邻光纤区段402被耦合到光栅耦合器400所处的点的位置。光栅元件404包括在光栅400中形成的栅格，该栅格包括多个凸起的突出物406。光栅耦合器400包括第一408a和第二408b波导臂，它们引导由光栅元件404衍射的光。

当多波长光学信号传播穿过光纤区段402时，多波长光学信号传播到光栅元件404中。如果光纤区段402垂直于光栅耦合器402，那么将由光栅元件404单独地衍射波长组成的横向电偏振模式和横向磁偏振模式，以形成第一和第二横向电偏振模式，这两个横向电偏振模式将在相应的第一408a和第二408b波导臂中传播以便形成对于多波长光学信号的每个波长组成将只包括横向电偏振模式的第一和第二光学输出信号。

接着，分别将第一和第二光学输出信号传播到如上所述起作用的第一光学移相器114和第一光学耦合器104，即，利用光学移相器114和波导区段116。

根据第一和第二方面的系统和方法能够实现将通过光纤传送并通过例如横向电偏振（TE）或横向电磁（TM）光子电路以偏振不敏感的方式处理多波长光学信号。这通过以下操作能够被实现：将多波长光学信号的波长选择在主偏振态带宽内、在沿光纤传输之前使波长组成的偏振态对准并在接收器处对它们进行处理，使得将横向磁偏振模式转化为横向电偏振模式或反之。

该解决方案提供了对针对光学网络的不断增加的需求的可缩放解决方案，因为可对多波长光学信号添加通道，并且偏振不敏感处理将不受影响，前提条件是添加的通道的波长在主偏振态带宽内。

通过使多波长光学信号的波长的偏振态在光纤的输入处对准（例如，利用维持耦合器），接收器处的波长的偏振态大体上相同，这意味着，能够使得实现偏振不敏感信号处理，因为能够将所有波长的偏振态转化成一个偏振模式并按照一个偏振模式被处理。

光纤可包括单模光纤区段，但是可另外包括诸如例如色散补偿光纤、色散偏斜光纤和大有效面积光纤的其它类型的光纤区段。能够实现上文阐述的效果，前提条件是将通道的波长选择在光纤的主偏振态之内。

装置和方法已被描述为具有连接到特定光学路径的第一和第二光学移相器。装置和方法可在不同或两个路径上利用移相器或相位控制器的任何布置，以便实现描述的相位差。

本公开的方面为传送器、接收器或包括传送器、接收器和/或光学传输介质（光纤）的系统的任何组合提供保证。任何方面可在任何组合中适用于任何示例。

尽管参考包括横向磁偏振模式和横向电偏振模式二者的信号（即，椭圆偏振的信号）描述了这些方面，但是装置的偏振不敏感性意味着，不管从光纤接收的信号全都是横向电、横向磁还是椭圆偏振，装置都只将输出一个偏振模式。

Claims (14)

1.一种包括传送器和接收器的光学通信系统，

其中所述传送器配置成沿光纤传送包括多个波长的多波长光学信号，其中所述传送器配置成传送被选择在确定的带宽内的所述多个波长，其中确定所述带宽以使得带宽内的所述多个波长的偏振模式具有在所述波长之间大体上均匀的变化，并且

其中所述接收器包括用于处理信号的装置，所述装置包括：

偏振模块，其配置成接收包括所述多个波长的所述多波长光学信号，并且对于每个波长，所述偏振模块配置成将每个波长的具有第一偏振模式的组成转化成具有不同的第二偏振模式的转化后组成；

其中所述装置还包括配置成将每个波长的所述转化后组成与采用所述第二偏振模式接收的每个波长的直接组成进行组合的处理模块，其中所述处理模块配置成生成仅仅具有所述第二偏振模式的多波长光学输出信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述传送器包括：

生成器单元，其配置成生成所述多个波长，以及

复用器单元，其配置成复用所述多个波长，其中所述复用器单元配置成维持每个波长的偏振。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述确定的带宽基于所述光纤的平均差分群组延迟和/或基于所述光纤的相位调制色散系数和所述光纤的长度。

4.根据权利要求3所述的系统，其中通过下式定义所述确定的带宽：

Δλ＝1/<ΔT>

其中Δλ是以纳米为单位的所述确定的带宽，并且<ΔT>是以皮秒ps为单位的所述平均差分群组延迟，并且，其中：

<ΔT>＝PMD coeff.xL^1/2

其中PMD coeff.是以ps/km^1/2为单位的指示所述光纤的所述相位调制色散的系数，并且L是以千米为单位的所述传送器和接收器之间的所述光纤的所述长度。

5.如权利要求1中所要求保护的系统，其中所述装置被配置为接收所述多波长光学输入信号，其中每个波长具有大体上相同的偏振态。

6.如权利要求1或5中所要求保护的系统，其中所述处理模块包括：

第一光学相移模块，被配置成对从偏振模块接收的所述转化后组成和/或直接组成的每个波长施加第一相位偏移，以及

第一光学耦合器，被配置成接收所述转化后组成和直接组成，其中所述转化后组成和直接组成中的至少一个组成被相位偏移所述第一相位偏移，

其中施加的所述第一相位偏移使得所述耦合输出具有大体上相同功率的第一和第二光学信号，并且，

其中所述处理模块包括被配置成对从所述第一光学耦合器接收的所述第一和/或第二光学信号的每个波长施加第二相位偏移的第二光学相移模块，并且

所述处理模块进一步包括被配置成接收所述第一和第二光学信号的第二光学耦合器，其中所述第一和第二光学信号中的至少一个光学信号被相位偏移所述第二相位偏移，其中施加的所述第二相位偏移使得所述耦合输出仅仅具有所述第二偏振模式的组合多波长光学信号。

7.如权利要求6中所要求保护的系统，其中所述第一光学相移模块和/或所述第二光学相移模块被控制以改变相应的第一和/或第二相位偏移。

8.如权利要求7中所要求保护的系统，其中所述装置包括测量单元，所述测量单元被配置成检测所述装置内的光学功率，并且基于所检测的光学功率控制所述第一和/或第二相移模块。

9.一种光学通信方法，包括：

沿光纤传送包括多个波长的多波长光学信号，其中所述传送包括传送被选择在确定的带宽内的波长，其中确定所述带宽以使得所述带宽内的所述波长的偏振模式具有在所述波长之间大体上均匀的变化，以及

接收包括所述多个波长的所述多波长光学信号，并且对于每个波长，将每个波长的具有第一偏振模式的组成转化成具有不同的第二偏振模式的转化后组成；以及

还包括将每个波长的所述转化后组成与采用所述第二偏振模式接收的每个波长的直接组成进行组合，以及

生成仅仅具有所述第二偏振模式的多波长光学输出信号。

10.如权利要求9中所要求保护的方法，其中所述传送包括：

生成所述多个波长，以及

复用所述多个波长，其中所述复用包括维持每个波长的偏振。

11.如权利要求9到10中的任一权利要求中所要求保护的方法，其中所述确定的带宽基于所述光纤的平均差分群组延迟和/或基于所述光纤的相位调制色散系数和所述光纤的长度。

12.如权利要求11中所要求保护的方法，其中所述方法包括接收所述多波长光学输入信号，其中每个波长具有大体上相同的偏振态。

13.如权利要求9或12所要求保护的方法，其中所述方法包括对从偏振模块接收的所述转化后组成和/或直接组成的每个波长施加第一相位偏移，并且

耦合所接收的所述转化后组成和直接组成，其中所述转化后组成和直接组成中的至少一个组成被相位偏移所述第一相位偏移，

其中施加的所述第一相位偏移使得所述耦合输出具有大体上相同功率的第一和第二光学信号，并且，

其中所述方法包括对从第一光学耦合器接收的所述第一和/或第二光学信号的每个波长施加第二相位偏移，并且

耦合所接收的所述第一和第二光学信号，所述第一和第二光学信号中的至少一个光学信号被相位偏移所述第二相位偏移，其中施加的所述第二相位偏移使得所述耦合输出仅仅具有所述第二偏振模式的组合多波长光学信号。

14.如权利要求9中所要求保护的方法，包括控制相应的第一和/或第二相位偏移。

Images