CN108923858B - 一种硅基波导光学混频器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅基波导光学混频器装置，解决现有装置体积大、稳定性差、使用环境要求高的问题。所述装置，包含：第一偏振光束分配器、第二偏振光束分配器、第一相移混频器、第二相移混频器；第一、第二偏振光束分配器用于接收包含TE模式和TM模式的第一、第二输入光信号，模式分离后，输出TE模式输入光、TM模式输入光、TE模式本地光、TM模式本地光；第一相移混频器用于接收TE模式输入光、TE模式本地光，相干解调后，输出第一、第二、第三、第四TE模式光信号；第二相移混频器用于接收TM模式输入光、TM模式本地光，相干解调后，输出第一、第二、第三、第四TM模式光信号。本发明提高了光信号的信噪比、信号的利用率和传输效率。

Description

一种硅基波导光学混频器装置

技术领域

本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种硅基波导光学混频器装置。

背景技术

随着5G通信技术的快速发展，基于偏振分离复用的相干检测技术在下一代光通信网络中具有较好的应用前景。目前可以实现光信号正交偏振复用和相干解调的方案主要分为两类：基于自由空间光学的迈克尔逊干涉仪与PBS棱镜组合和通过集成光学90°hybrid组合电光调制的MZI结构的PBS方案。基于自由空间光学的相干解调系统可以较好地实现输入光信号的相干解调，系统的稳定性较好，但是结构比较复杂，体积较大；基于集成光学MMI设计的90°hybrid可以对光信号进行相干解调，体积小，便于集成到通信系统中，但是稳定性较差，对使用环境要求高，需要增加温度控制部分，制作成本高。

发明内容

本发明提供一种硅基波导光学混频器装置，解决现有装置体积大、稳定性差、使用环境要求高的问题。

一种硅基波导光学混频器装置，其特征在于，包含：第一偏振光束分配器、第二偏振光束分配器、第一相移混频器、第二相移混频器；所述第一偏振光束分配器用于通过其第一或第二输入端口接收包含TE模式和TM模式的第一输入光信号，模式分离后，通过其第一输出端口、第二输出端口分别输出TE模式输入光、TM模式输入光；所述第二偏振光束分配器用于通过其第一或第二输入端口接收包含TE模式和TM模式的第二输入光信号，模式分离后，通过其第一输出端口、第二输出端口分别输出TE模式本地光、TM模式本地光；所述第一相移混频器用于通过其第一输入端口、第四输入端口分别接收所述TE模式输入光、所述TE模式本地光，相干解调后，分别通过其第一、第二、第三、第四输出端口输出第一、第二、第三、第四TE模式光信号，所述第一、第二、第三、第四TE模式光信号与所述TE模式本地光的相位差分别为180°、0°、270°、90°；所述第二相移混频器用于通过其第一输入端口、第四输入端口分别接收所述TM模式输入光、所述TM模式本地光，相干解调后，分别通过其第一、第二、第三、第四输出端口输出第一、第二、第三、第四TM模式光信号，所述第一、第二、第三、第四TM模式光信号与所述TM模式本地光的相位差分别为180°、0°、270°、90°。

进一步地，所述第一相移混频器，包含：第一90°移相器、第一多模干涉耦合器、第二多模干涉耦合器、第三多模干涉耦合器、第四多模干涉耦合器；所述第一多模干涉耦合器用于通过所述第一相移混频器的第一输入端口接收所述TE模式输入光，分光后输出第一TE模式输入分光、第二TE模式输入分光，所述第一TE模式输入分光与所述TE模式输入光相位相同，所述第二TE模式输入分光与所述TE模式输入光相位相差90°；所述第三多模干涉耦合器用于通过所述第一相移混频器的第四输入端口接收所述TE模式本地光，分光后输出第一TE模式本地分光、第二TE模式本地分光，所述第一TE模式本地分光与所述TE模式本地光相位相差90°，所述第二TE模式本地分光与所述TE模式本地光相位相同；所述第二多模干涉耦合器用于接收所述第一TE模式输入分光、第一TE模式本地分光，耦合后通过所述第一相移混频器的第一、第二输出端口分别输出所述第一、第二TE模式光信号；所述第一90°移相器用于接收所述第二TE模式本地分光，移相后输出第二TE模式本地移相光，所述第二TE模式本地移相光与所述第二TE模式本地分光相位相差-90°；所述第四多模干涉耦合器用于接收所述第二TE模式输入分光、第二TE模式本地移相光，耦合后通过所述第一相移混频器的第三、第四输出端口分别输出所述第三、第四TE模式光信号。

进一步地，所述第二相移混频器，包含：第二90°移相器、第五多模干涉耦合器、第六多模干涉耦合器、第七多模干涉耦合器、第八多模干涉耦合器；所述第五多模干涉耦合器用于通过所述第二相移混频器的第一输入端口接收所述TM模式输入光，分光后输出第一TM模式输入分光、第二TM模式输入分光，所述第一TM模式输入分光与所述TM模式输入光相位相同，所述第二TM模式输入分光与所述TM模式输入光相位相差90°；所述第七多模干涉耦合器用于通过所述第二相移混频器的第四输入端口接收所述TM模式本地光，分光后输出第一TM模式本地分光、第二TM模式本地分光，所述第一TM模式本地分光与所述TM模式本地光相位相差90°，所述第二TM模式本地分光与所述TM模式本地光相位相同；所述第六多模干涉耦合用于接收所述第一TM模式输入分光、第一TM模式本地分光，耦合后通过所述第二相移混频器的第一、第二输出端口分别输出所述第一、第二TM模式光信号；所述第二90°移相器用于接收所述第二TM模式本地分光，移相后输出第二TM模式本地移相光，所述第二TM模式本地移相光与所述第二TM模式本地分光相位相差-90°；所述第八多模干涉耦合器用于接收所述第二相移混频器的第二TM模式输入分光、第二TM模式本地移相光，耦合后通过所述第三、第四输出端口分别输出所述第三、第四TM模式光信号。

优选地，其特征在于，所述第一偏振光束分配器、第二偏振光束分配器、第一相移混频器、第二相移混频器集成到硅基平台。

进一步地，所述第一偏振光束分配器，包含：第九多模干涉耦合器、第十多模干涉耦合器、第一硅基光波导；所述第一输入光信号经所述第九多模干涉耦合器分光后输出第一输入分光信号、第二输入分光信号；所述第一硅基光波导，包含第一、第二波导臂，所述第一波导臂上有第一宽波导；所述第一输入分光信号经所述第一波导臂，输出TE模式与TM模式相位差为180度的第一移相光至所述第十多模干涉耦合器的输入端口；所述第二输入分光信号经所述第二波导臂输出第一参考光信号至所述第十多模干涉耦合器的另一输入端口；所述第十多模干涉耦合器用于对所述第一移相光、第一参考光信号进行耦合，通过所述第一偏振光束分配器的第一输出端口、第二输出端口分别输出TE模式输入光、TM模式输入光。

进一步地，所述第二偏振光束分配器，包含：第十一多模干涉耦合器、第十二多模干涉耦合器、第二硅基光波导；所述第二输入光信号经所述第十一多模干涉耦合器分光后输出第三输入分光信号、第四输入分光信号；所述第二硅基光波导，包含第三、第四波导臂，所述第三波导臂上有第二宽波导；所述第三输入分光信号经所述第三波导臂，输出TE模式与TM模式相位差为180度的第二移相光至所述第十二多模干涉耦合器的输入端口；所述第四输入分光信号经所述第四波导臂输出第二参考光信号至所述第十二多模干涉耦合器的另一输入端口；所述第十二多模干涉耦合器用于对所述第二移相光、第二参考光信号进行耦合，通过所述第二偏振光束分配器的第一输出端口、第二输出端口分别输出TE模式本地光、TM模式本地光。

优选地，所述第一多模干涉耦合器、第二多模干涉耦合器、第三多模干涉耦合器、第四多模干涉耦合器均为3dB耦合器；

优选地，所述第五多模干涉耦合器、第六多模干涉耦合器、第七多模干涉耦合器、第八多模干涉耦合器均为3dB耦合器；

优选地，所述第九多模干涉耦合器、第十多模干涉耦合器、第十一多模干涉耦合器、第十二多模干涉耦合器均为3dB耦合器；

本发明有益效果包括：本发明采用偏振光束分配器与相移混频器组合的方法实现输入光信号相干解调，相移混频器采用多模干涉耦合器与移相器组合设计实现光信号的相干解调，提高光信号的信噪比、信号的利用率和传输效率；本发明将偏振光束分配器与相移混频器集成到硅基平台，采用纯无源的设计结构，集成度高，功耗低，性能稳定，易于大批量生产；同时波导截面尺寸与光纤接近，光纤与芯片之间的耦合损耗较低。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为一种硅基波导光学混频器装置实施例；

图2为一种包含相移混频器的硅基波导光学混频器装置实施例；

图3为一种包含偏振光束分配器的硅基波导光学混频器装置实施例；

图4为一种多模干涉耦合器装置实施例；

图5(a)、(b)、(c)、(d)分别为相移混频器第一、第四端口输入光相位差为0度、90度、180度、270度的光场分布实施例；

图6为相移混频器相干解调结果实施例。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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做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。

以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

图1为一种硅基波导光学混频器装置实施例，本发明实施例提供的装置集成在硅基平台上。一种硅基波导光学混频器装置，包含：第一偏振光束分配器11、第二偏振光束分配器12、第一相移混频器13、第二相移混频器14。

所述第一偏振光束分配器用于通过其第一或第二输入端口接收包含TE模式和TM模式的第一输入光信号，模式分离后，通过其第一输出端口、第二输出端口分别输出TE模式输入光、TM模式输入光；所述第二偏振光束分配器用于通过其第一或第二输入端口接收包含TE模式和TM模式的第二输入光信号，模式分离后，通过其第一输出端口、第二输出端口分别输出TE模式本地光、TM模式本地光；所述第一相移混频器用于通过其第一输入端口、第四输入端口分别接收所述TE模式输入光、所述TE模式本地光，相干解调后，分别通过其第一、第二、第三、第四输出端口输出第一、第二、第三、第四TE模式光信号，所述第一、第二、第三、第四TE模式光信号与所述TE模式本地光的相位差分别为180°、0°、270°、90°；所述第二相移混频器用于通过其第一输入端口、第四输入端口分别接收所述TM模式输入光、所述TM模式本地光，相干解调后，分别通过其第一、第二、第三、第四输出端口输出第一、第二、第三、第四TM模式光信号，所述第一、第二、第三、第四TM模式光信号与所述TM模式本地光的相位差分别为180°、0°、270°、90°。

优选地，所述第一偏振光束分配器、第二偏振光束分配器、第一相移混频器、第二相移混频器集成到硅基平台。

本发明实施例中，所述第一偏振光束分配器、第二偏振光束分配器均采用MZI(马赫-曾德干涉仪)结构，由两个多模干涉耦合器和两个不同的臂长组成，根据TE/TM模式在宽波导的结构下具有双折射效应的特点，使TE模式、TM模式实现分离。

本发明实施例采用偏振光束分配器与相移混频器组合的方法实现输入光信号相干解调，提高了光信号的信噪比、信号的利用率和传输效率，采用纯无源的设计结构，集成度高，功耗低，性能稳定，易于大批量生产，同时波导截面尺寸与光纤接近，光纤与芯片之间的耦合损耗较低。

图2为一种包含相移混频器的硅基波导光学混频器装置实施例，本发明实施例包含相移混频器的组成。一种硅基波导光学混频器装置，包含：第一偏振光束分配器11、第二偏振光束分配器12、第一相移混频器13、第二相移混频器14、第一90°移相器19、第一多模干涉耦合器15、第二多模干涉耦合器16、第三多模干涉耦合器17、第四多模干涉耦合器18、第二90°移相器24、第五多模干涉耦合器20、第六多模干涉耦合器21、第七多模干涉耦合器22、第八多模干涉耦合器23、第二90°移相器24。

所述第一偏振光束分配器用于通过其第一或第二输入端口接收包含TE模式和TM模式的第一输入光信号，模式分离后，通过其第一输出端口、第二输出端口分别输出TE模式输入光、TM模式输入光；所述第二偏振光束分配器用于通过其第一或第二输入端口接收包含TE模式和TM模式的第二输入光信号，模式分离后，通过其第一输出端口、第二输出端口分别输出TE模式本地光、TM模式本地光。

所述第一相移混频器，包含：第一90°移相器、第一多模干涉耦合器、第二多模干涉耦合器、第三多模干涉耦合器、第四多模干涉耦合器；所述第一多模干涉耦合器用于通过所述第一相移混频器的第一输入端口接收所述TE模式输入光，分光后输出第一TE模式输入分光、第二TE模式输入分光，所述第一TE模式输入分光与所述TE模式输入光相位相同，所述第二TE模式输入分光与所述TE模式输入光相位相差90°；所述第三多模干涉耦合器用于通过所述第一相移混频器的第四输入端口接收所述TE模式本地光，分光后输出第一TE模式本地分光、第二TE模式本地分光，所述第一TE模式本地分光与所述TE模式本地光相位相差90°，所述第二TE模式本地分光与所述TE模式本地光相位相同；所述第二多模干涉耦合用于接收所述第一TE模式输入分光、第一TE模式本地分光，耦合后通过所述第一相移混频器的第一、第二输出端口分别输出所述第一、第二TE模式光信号；所述第一90°移相器用于接收所述第二TE模式本地分光，移相后输出第二TE模式本地移相光，所述第二TE模式本地移相光与所述第二TE模式本地分光相位相差-90°；所述第四多模干涉耦合器用于接收所述第二TE模式输入分光、第二TE模式本地移相光，耦合后通过所述第一相移混频器的第三、第四输出端口分别输出所述第三、第四TE模式光信号，所述第一、第二、第三、第四TE模式光信号与所述TE模式本地光的相位差分别为180°、0°、270°、90°。

所述第二相移混频器，包含：第二90°移相器、第五多模干涉耦合器、第六多模干涉耦合器、第七多模干涉耦合器、第八多模干涉耦合器；所述第五多模干涉耦合器用于通过所述第二相移混频器的第一输入端口接收所述TM模式输入光，分光后输出第一TM模式输入分光、第二TM模式输入分光，所述第一TM模式输入分光与所述TM模式输入光相位相同，所述第二TM模式输入分光与所述TM模式输入光相位相差90°；所述第七多模干涉耦合器用于通过所述第二相移混频器的第四输入端口接收所述TM模式本地光，分光后输出第一TM模式本地分光、第二TM模式本地分光，所述第一TM模式本地分光与所述TM模式本地光相位相差90°，所述第二TM模式本地分光与所述TM模式本地光相位相同；所述第六多模干涉耦合用于接收所述第一TM模式输入分光、第一TM模式本地分光，耦合后通过所述第二相移混频器的第一、第二输出端口分别输出所述第一、第二TM模式光信号；所述第二90°移相器用于接收所述第二TM模式本地分光，移相后输出第二TM模式本地移相光，所述第二TM模式本地移相光与所述第二TM模式本地分光相位相差-90°；所述第八多模干涉耦合器用于接收所述第二TM模式输入分光、第二TM模式本地移相光，耦合后通过所述第二相移混频器的第三、第四输出端口分别输出所述第三、第四TM模式光信号，所述第一、第二、第三、第四TM模式光信号与所述TM模式本地光的相位差分别为180°、0°、270°、90°。

在本发明实施例中，根据相移混频器的工作原理，所述第一TE模式光信号、第二TE模式光信号、第三TE模式光信号、第四TE模式光信号为：

其中，E_TE1、E_TE2、E_TE3、E_TE4分别为所述第一TE模式光信号、第二TE模式光信号、第三TE模式光信号、第四TE模式光信号，E_STE为所述TE模式输入光，E_LOTE为所述TE模式本地光。

所述第一TM模式光信号、第二TM模式光信号、第三TM模式光信号、第四TM模式光信号为：

其中，E_TM1、E_TM2、E_TM3、E_TM4分别为所述第一TM模式光信号、第二TM模式光信号、第三TM模式光信号、第四TM模式光信号，E_STM为所述TM模式输入光，E_LOTM为所述TM模式本地光。

本发明实施例相移混频器采用多模干涉耦合器与移相器组合设计实现光信号的相干解调，集成度高、结构简单、易于批生产。

图3为一种包含偏振光束分配器的硅基波导光学混频器装置实施例，本发明实施例提供的装置包含所述第一、第二偏振光束分配器的技术方案，所述装置包含：第一偏振光束分配器11、第二偏振光束分配器12、第一相移混频器13、第二相移混频器14、第一90°移相器19、第一多模干涉耦合器15、第二多模干涉耦合器16、第三多模干涉耦合器17、第四多模干涉耦合器18、第二90°移相器24、第五多模干涉耦合器20、第六多模干涉耦合器21、第七多模干涉耦合器22、第八多模干涉耦合器23、第九多模干涉耦合器25、第十多模干涉耦合器26、第一硅基光波导27、第一波导臂30、第二波导臂28、第一宽波导29、第十一多模干涉耦合器31、第十二多模干涉耦合器32、第二硅基光波导33、第三波导臂36、第四波导臂34、第二宽波导35。

所述第一偏振光束分配器用于通过其第一或第二输入端口接收包含TE模式和TM模式的第一输入光信号，所述第一输入光信号经所述第九多模干涉耦合器分光后输出第一输入分光信号、第二输入分光信号；所述第一硅基光波导，包含第一、第二波导臂，所述第一波导臂上有第一宽波导；所述第一输入分光信号经所述第一波导臂，输出TE模式与TM模式相位差为180度的第一移相光至所述第十多模干涉耦合器的输入端口；所述第二输入分光信号经所述第二波导臂输出第一参考光信号至所述第十多模干涉耦合器的另一输入端口；所述第十多模干涉耦合器用于对所述第一移相光、第一参考光信号进行耦合，通过所述第一偏振光束分配器的第一输出端口、第二输出端口分别输出TE模式输入光、TM模式输入光。

所述第二偏振光束分配器用于通过其第一或第二输入端口接收包含TE模式和TM模式的第二输入光信号，所述第二输入光信号经所述第十一多模干涉耦合器分光后输出第三输入分光信号、第四输入分光信号；所述第二硅基光波导，包含第三、第四波导臂，所述第三波导臂上有第二宽波导；所述第三输入分光信号经所述第三波导臂，输出TE模式与TM模式相位差为180度的第二移相光至所述第十二多模干涉耦合器的输入端口；所述第四输入分光信号经所述第四波导臂输出第二参考光信号至所述第十二多模干涉耦合器的另一输入端口；所述第十二多模干涉耦合器用于对所述第二移相光、第二参考光信号进行耦合，通过所述第二偏振光束分配器的第一输出端口、第二输出端口分别输出TE模式本地光、TM模式本地光。

进一步地，所述第一宽波导、第二宽波导的长度为：

其中，L为所述第一、第二宽波导的长度，N＝1，2，3，……，λ为所述光信号的波长，B为TE/TM模式在所述硅基光波导中的双折射差。

所述双折射差包含由应力引起的双折射差Bs和/或由几何结构引起的双折射差Bg。当Bs、Bg二者中的一个因素远大于另一个因素(例如相差两个数量级)，则可以仅考虑其中较大者。

优选地，当所述第一偏振光束分配器、第二偏振光束分配器是硅基的二氧化硅光波导制成，所述第一宽波导、第二宽波导的长度为3400～3450微米。作为本发明进一步优化的实施例，在所述第一宽波导、第二宽波导长度的基础上，优选地，所述第九多模干涉耦合器、第十多模干涉耦合器、第十一多模干涉耦合器、第十二多模干涉耦合器的每一个，宽度为39～43微米，长度为3500～3650微米，所述第一波导臂、第二波导臂、第三波导臂、第四波导臂的每一个，长度为6500微米。进一步优选地，所述第一宽波导、第二宽波导的宽度不小于17微米。

进一步地，所述第一波导臂向所述第一宽波导过渡处有不连续性结构，所述第二波导臂上包含所述不连续性结构。所述第三波导臂向所述第二宽波导过渡处有不连续性结构，所述第二波导臂上包含所述不连续性结构。

所述第一相移混频器，包含：第一90°移相器、第一多模干涉耦合器、第二多模干涉耦合器、第三多模干涉耦合器、第四多模干涉耦合器；所述第一多模干涉耦合器用于通过所述第一相移混频器的第一输入端口接收所述TE模式输入光，分光后输出第一TE模式输入分光、第二TE模式输入分光，所述第一TE模式输入分光与所述TE模式输入光相位相同，所述第二TE模式输入分光与所述TE模式输入光相位相差90°；所述第三多模干涉耦合器用于通过所述第一相移混频器的第四输入端口接收所述TE模式本地光，分光后输出第一TE模式本地分光、第二TE模式本地分光，所述第一TE模式本地分光与所述TE模式本地光相位相差90°，所述第二TE模式本地分光与所述TE模式本地光相位相同；所述第二多模干涉耦合用于接收所述第一TE模式输入分光、第一TE模式本地分光，耦合后通过所述第一相移混频器的第一、第二输出端口分别输出所述第一、第二TE模式光信号；所述第一90°移相器用于接收所述第二TE模式本地分光，移相后输出第二TE模式本地移相光，所述第二TE模式本地移相光与所述第二TE模式本地分光相位相差-90°；所述四多模干涉耦合器用于接收所述第二TE模式输入分光、第二TE模式本地移相光，耦合后通过所述第一相移混频器的第三、第四输出端口分别输出所述第三、第四TE模式光信号，所述第一、第二、第三、第四TE模式光信号与所述TE模式本地光的相位差分别为180°、0°、270°、90°。

所述第二相移混频器，包含：第二90°移相器、第五多模干涉耦合器、第六多模干涉耦合器、第七多模干涉耦合器、第八多模干涉耦合器；所述第五多模干涉耦合器用于通过所述第二相移混频器的第一输入端口接收所述TM模式输入光，分光后输出第一TM模式输入分光、第二TM模式输入分光，所述第一TM模式输入分光与所述TM模式输入光相位相同，所述第二TM模式输入分光与所述TM模式输入光相位相差90°；所述第七多模干涉耦合器用于通过所述第二相移混频器的第四输入端口接收所述TM模式本地光，分光后输出第一TM模式本地分光、第二TM模式本地分光，所述第一TM模式本地分光与所述TM模式本地光相位相差90°，所述第二TM模式本地分光与所述TM模式本地光相位相同；所述第六多模干涉耦合用于接收所述第一TM模式输入分光、第一TM模式本地分光，耦合后通过所述第二相移混频器的第一、第二输出端口分别输出所述第一、第二TM模式光信号；所述第二90°移相器用于接收所述第二TM模式本地分光，移相后输出第二TM模式本地移相光，所述第二TM模式本地移相光与所述第二TM模式本地分光相位相差-90°；所述八多模干涉耦合器用于接收所述第二TM模式输入分光、第二TM模式本地移相光，耦合后通过所述第二相移混频器的第三、第四输出端口分别输出所述第三、第四TM模式光信号，所述第一、第二、第三、第四TM模式光信号与所述TM模式本地光的相位差分别为180°、0°、270°、90°。

本发明实施例偏振光束分配器利用宽波导对TE模式、TM模式的双折射效应对TE模式、TM模式进行模式分离，偏振消光比高。

图4为一种多模干涉耦合器装置实施例，本发明实施例提供一种多模干涉耦合器装置，用于本发明技术方案中的第一至第十二多模干涉耦合器。所述多模干涉耦合器包含第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口、第二输出端口。

所述多模干涉耦合器用于实现对输入光信号的3dB分光，输出相位相差90度的两路光、且两路光功率相同，所述输出光信号为：

其中，E_out1、E_out2分别为所述多模干涉耦合器第一输出端口、第二输出端口输出的光信号，E_in1、E_in2分别为所述多模干涉耦合器第一输入端口、第二输入端口输入的光信号。

图5(a)、(b)、(c)、(d)分别为相移混频器第一、第四端口输入光相位差为0度、90度、180度、270度的光场分布实施例，本发明实施例提供了相移混频器输入端不同相位差的不同光场分布图。

所述相移混频器用于通过其第一输入端口、第四输入端口分别接收所述输入光信号、本地光信号，相干解调后，分别通过其第一、第二、第三、第四输出端口输出第一、第二、第三、第四光信号，所述第一、第二、第三、第四光信号与所述本地光信号的相位差分别为180°、0°、270°、90°。

(a)为相移混频器第一、第四端口输入光相位差为0度的光场分布实施例，所述相移混频通过其第一输入端口接收输入光信号，通过其第四输入端口接收本地光信号，所述输入光信号与所述本地光信号的相位差为0度，所述相移混频器的第一输出端口不输出光信号；

(b)为相移混频器第一、第四端口输入光相位差为90度的光场分布实施例，所述相移混频通过其第一输入端口接收输入光信号，通过其第四输入端口接收本地光信号，所述输入光信号与所述本地光信号的相位差为90度，所述相移混频器的第三输出端口不输出光信号；

(c)为相移混频器第一、第四端口输入光相位差为180度的光场分布实施例，所述相移混频通过其第一输入端口接收输入光信号，通过其第四输入端口接收本地光信号，所述输入光信号与所述本地光信号的相位差为180度，所述相移混频器的第二输出端口不输出光信号；

(d)为相移混频器第一、第四端口输入光相位差为270度的光场分布实施例，所述相移混频通过其第一输入端口接收输入光信号，通过其第四输入端口接收本地光信号，所述输入光信号与所述本地光信号的相位差为270度，所述相移混频器的第四输出端口不输出光信号；

在本发明实施例中，根据相移混频器的光传输特性，所述相移混频器分别通过其第一、第二、第三、第四输出端口输出相位差为180°、0°、270°、90°的光信号，因此当其第一、第四输入端口的输入光信号、本地光信号相位差分别为0度、90度、180度、270度时，其输出端口对应的相位相差180度的端口不输出光信号，即分别为其第一输出端口、第三输出端口、第二输出端口、第四输出端口不输出光信号。

图6为相移混频器相干解调结果实施例，本发明实施例提供相移混频器的输出光信号的功率值。

所述相移混频器用于通过其第一输入端口、第四输入端口分别接收所述输入光信号、本地光信号，相干解调后，分别通过其第一、第二、第三、第四输出端口输出第一、第二、第三、第四光信号，所述第一、第二、第三、第四光信号与所述本地光信号的相位差分别为180°、0°、270°、90°。

当所述相移混频器第一输入端口与第四输入端口输入的光信号相位差为0度，输入光信号在C波段所述光信号波长为1.52um、1.53m、1.54um、1.55um、1.56um、1.57um时，所述相移混频器的第二输出端口输出的光信号功率值在-5dB～0dB之间，第三输出端口输出的光信号功率值在-10dB～-5dB之间，第四输出端口输出的光信号功率值在-10dB～-5dB之间，第一输出端口输出的光信号功率值在-40dB～-30dB之间。

当所述相移混频器第一输入端口与第四输入端口输入的光信号相位差为90度，输入光信号在C波段所述光信号波长为1.52um、1.53m、1.54um、1.55um、1.56um、1.57um时，所述相移混频器的第一输出端口输出的光信号功率值在-10dB～-5dB之间，第二输出端口输出的光信号功率值在-10dB～-5dB之间，第四输出端口输出的光信号功率值在-5dB～0dB之间，第三输出端口输出的光信号功率值在-35dB～-20dB之间。

当所述相移混频器第一输入端口与第四输入端口输入的光信号相位差为180度，输入光信号在C波段所述光信号波长为1.52um、1.53m、1.54um、1.55um、1.56um、1.57um时，所述相移混频器的第一输出端口输出的光信号功率值在-5dB～0dB之间，第三输出端口输出的光信号功率值在-10dB～-5dB之间，第四输出端口输出的光信号功率值在-10dB～-5dB之间，第二输出端口输出的光信号功率值在-30dB～-20dB之间。

当所述相移混频器第一输入端口与第四输入端口输入的光信号相位差为270度，输入光信号在C波段所述光信号波长为1.52um、1.53m、1.54um、1.55um、1.56um、1.57um时，所述相移混频器的第一输出端口输出的光信号功率值在-10dB～-5dB之间，第二输出端口输出的光信号功率值在-10dB～-5dB之间，第三输出端口输出的光信号功率值在-5dB～0dB之间，第四输出端口输出的光信号功率值在-30dB～-20dB之间。

图6中所表示的各功率值，为按照输入光功率值归一化的光功率值，反映的是装置的传输特性，即对输入信号衰减的性质。

作为本发明进一步优化的实施例，本发明中的第一偏振光束分配器、第二偏振光束分配器、第一相移混频器、第二相移混频器均由硅基二氧化硅光波导结构制成。在上述情况下，所述第一偏振光束分配器、第二偏振光束分配器、第一相移混频器、第二相移混频器可集成于同一芯片。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理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权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种硅基波导光学混频器装置，包含：第一偏振光束分配器、第二偏振光束分配器、第一相移混频器、第二相移混频器；所述第一偏振光束分配器用于通过其第一或第二输入端口接收包含TE模式和TM模式的第一输入光信号，模式分离后，通过其第一输出端口、第二输出端口分别输出TE模式输入光、TM模式输入光；所述第二偏振光束分配器用于通过其第一或第二输入端口接收包含TE模式和TM模式的第二输入光信号，模式分离后，通过其第一输出端口、第二输出端口分别输出TE模式本地光、TM模式本地光；所述第一相移混频器用于通过其第一输入端口、第四输入端口分别接收所述TE模式输入光、所述TE模式本地光，相干解调后，分别通过其第一、第二、第三、第四输出端口输出第一、第二、第三、第四TE模式光信号，所述第一、第二、第三、第四TE模式光信号与所述TE模式本地光的相位差分别为180°、0°、270°、90°；所述第二相移混频器用于通过其第一输入端口、第四输入端口分别接收所述TM模式输入光、所述TM模式本地光，相干解调后，分别通过其第一、第二、第三、第四输出端口输出第一、第二、第三、第四TM模式光信号，所述第一、第二、第三、第四TM模式光信号与所述TM模式本地光的相位差分别为180°、0°、270°、90°；

所述第一偏振光束分配器，包含：第九多模干涉耦合器、第十多模干涉耦合器、第一硅基光波导；所述第一输入光信号经所述第九多模干涉耦合器分光后输出第一输入分光信号、第二输入分光信号；所述第一硅基光波导，包含第一、第二波导臂，所述第一波导臂上有第一宽波导；所述第一输入分光信号经所述第一波导臂，输出TE模式与TM模式相位差为180度的第一移相光至所述第十多模干涉耦合器的输入端口；所述第二输入分光信号经所述第二波导臂输出第一参考光信号至所述第十多模干涉耦合器的另一输入端口；所述第十多模干涉耦合器用于对所述第一移相光、第一参考光信号进行耦合，通过所述第一偏振光束分配器的第一输出端口、第二输出端口分别输出TE模式输入光、TM模式输入光；所述第二偏振光束分配器，包含：第十一多模干涉耦合器、第十二多模干涉耦合器、第二硅基光波导；所述第二输入光信号经所述第十一多模干涉耦合器分光后输出第三输入分光信号、第四输入分光信号；所述第二硅基光波导，包含第三、第四波导臂，所述第三波导臂上有第二宽波导；所述第三输入分光信号经所述第三波导臂，输出TE模式与TM模式相位差为180度的第二移相光至所述第十二多模干涉耦合器的输入端口；所述第四输入分光信号经所述第四波导臂输出第二参考光信号至所述第十二多模干涉耦合器的另一输入端口；所述第十二多模干涉耦合器用于对所述第二移相光、第二参考光信号进行耦合，通过所述第二偏振光束分配器的第一输出端口、第二输出端口分别输出TE模式本地光、TM模式本地光；

其特征在于，

所述第九多模干涉耦合器、第十多模干涉耦合器、第十一多模干涉耦合器、第十二多模干涉耦合器的每一个，宽度为39～43微米，长度为3500～3650微米，均为3dB耦合器；

所述第一波导臂、第二波导臂、第三波导臂、第四波导臂的每一个，长度为6500微米；

所述第一宽波导、第二宽波导的长度为：

其中，L为所述第一、第二宽波导的长度，N＝1，2，3，……，λ为光信号的波长，B为TE/TM模式在所述硅基光波导中的双折射差。

2.如权利要求1所述的硅基波导光学混频器装置，其特征在于，所述第一相移混频器，包含：第一90°移相器、第一多模干涉耦合器、第二多模干涉耦合器、第三多模干涉耦合器、第四多模干涉耦合器；

所述第一多模干涉耦合器用于通过所述第一相移混频器的第一输入端口接收所述TE模式输入光，分光后输出第一TE模式输入分光、第二TE模式输入分光，所述第一TE模式输入分光与所述TE模式输入光相位相同，所述第二TE模式输入分光与所述TE模式输入光相位相差90°；

所述第三多模干涉耦合器用于通过所述第一相移混频器的第四输入端口接收所述TE模式本地光，分光后输出第一TE模式本地分光、第二TE模式本地分光，所述第一TE模式本地分光与所述TE模式本地光相位相差90°，所述第二TE模式本地分光与所述TE模式本地光相位相同；

所述第二多模干涉耦合用于接收所述第一TE模式输入分光、第一TE模式本地分光，耦合后通过所述第一相移混频器的第一、第二输出端口分别输出所述第一、第二TE模式光信号；

所述第一90°移相器用于接收所述第二TE模式本地分光，移相后输出第二TE模式本地移相光，所述第二TE模式本地移相光与所述第二TE模式本地分光相位相差-90°；

所述第四多模干涉耦合器用于接收所述第二TE模式输入分光、第二TE模式本地移相光，耦合后通过所述第一相移混频器的第三、第四输出端口分别输出所述第三、第四TE模式光信号；

所述第二相移混频器，包含：第二90°移相器、第五多模干涉耦合器、第六多模干涉耦合器、第七多模干涉耦合器、第八多模干涉耦合器；

所述第五多模干涉耦合器用于通过所述第二相移混频器的第一输入端口接收所述TM模式输入光，分光后输出第一TM模式输入分光、第二TM模式输入分光，所述第一TM模式输入分光与所述TM模式输入光相位相同，所述第二TM模式输入分光与所述TM模式输入光相位相差90°；

所述第七多模干涉耦合器用于通过所述第二相移混频器的第四输入端口接收所述TM模式本地光，分光后输出第一TM模式本地分光、第二TM模式本地分光，所述第一TM模式本地分光与所述TM模式本地光相位相差90°，所述第二TM模式本地分光与所述TM模式本地光相位相同；

所述第六多模干涉耦合用于接收所述第一TM模式输入分光、第一TM模式本地分光，耦合后通过所述第二相移混频器的第一、第二输出端口分别输出所述第一、第二TM模式光信号；

所述第二90°移相器用于接收所述第二TM模式本地分光，移相后输出第二TM模式本地移相光，所述第二TM模式本地移相光与所述第二TM模式本地分光相位相差-90°；

所述第八多模干涉耦合器用于接收所述第二TM模式输入分光、第二TM模式本地移相光，耦合后通过所述第二相移混频器的第三、第四输出端口分别输出所述第三、第四TM模式光信号。

3.如权利要求2所述的硅基波导光学混频器装置，其特征在于，所述第一多模干涉耦合器、第二多模干涉耦合器、第三多模干涉耦合器、第四多模干涉耦合器均为3dB耦合器。

4.如权利要求1所述的硅基波导光学混频器装置，其特征在于，

所述第一偏振光束分配器、第二偏振光束分配器是硅基的二氧化硅光波导制成，所述第一宽波导、第二宽波导的长度为3400～3450微米。

5.如权利要求1所述的硅基波导光学混频器装置，其特征在于，所述第一宽波导、第二宽波导的宽度不小于17微米。

6.如权利要求1～5任一项所述的硅基波导光学混频器装置，其特征在于，所述第一偏振光束分配器、第二偏振光束分配器、第一相移混频器、第二相移混频器集成到硅基平台。

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