CN109343176B - 一种偏振转换器以及相应的混频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振转换器以及相应的混频器，该偏振转换器包括输入波导、偏振转换单元以及输出波导，其中，输入波导包括多个周期设置的输入片段波导，输出波导包括多个周期设置的输出片段波导；输入波导与偏振转换单元的输入端面耦合，输出波导与偏振转换单元的输出端面耦合；输入波导用于输入第一偏振光，并对第一偏振光进行模场扩束，偏振转换单元用于将第一偏振光转换为第二偏振光，输出波导用于输出第二偏振光，并对第二偏振光进行模场压缩。该偏振转换器降低了波导制作难度，具有更小的体积以及更高的集成度。同时，通过片段波导对偏振光进行模场扩大或模场压缩，实现模场之间的耦合匹配，能够有效降低偏振转换过程中的耦合损耗。

Description

一种偏振转换器以及相应的混频器

技术领域

本发明属于光学技术领域，更具体地，涉及一种偏振转换器以及相应的混频器。

背景技术

由于光波的矢量特性，以及电场和磁场在边界处的不同边界条件，波导中广泛存在着两种正交的偏振模式。随着光通讯向100G甚至更高通讯速率的发展，提高通讯速率显得尤为重要，基于偏振调制的DP-QPSK(双偏振正交相移键控)、DP-16QAM(偏振复用16进制正交幅度调制)等调制格式被广泛采用，这类调制信号在解调时需要混频器进行相干相位及幅度解调。在采用混频器解调的过程中，需要分别对两种偏振态进行解调，因此，混频器需要包含偏振模式转换结构。

目前，存在一种基于平面光波导型的混频器，通过该混频器对信号进行相干相位及幅度解调。但是，基于平面光波导型的混频器由于二氧化硅材料特性，不容易把偏振转换结构做到波导中，一般采用空间光学方案进行偏振模式转换，经过偏振模式转换后的光信号再耦合进入波导中进行相位解调。然而，如图1所示，空间光学偏振转换结构体积较大(尺寸为毫米级)，不利于集成，增加了器件的复杂度。另一方面，采用空间光学偏振转换结构进行转换时，空间光学偏振转换结构与波导的耦合效率低，损耗较大。

还存在另外一种基于硅光波导芯片的混频器，能够较好的把偏振转换结构集成在波导中，但是偏振转换结构一般采用脊波导或者其他样式的异形波导，这类异形波导结构较复杂，制作难度较大，对制作工艺提出很高的要求。

鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种偏振转换器以及相应的混频器，其目的在于取消了传统偏振模式转换方案中脊型波导的制作，降低波导制作难度；相对于空间光学偏振模式转换结构，具有更小的体积和更高的集成度，同时，能够有效降低耦合损耗，由此解决目前偏振模式转换结构体积较大，不利于集成，损耗较大以及制作难度较大的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种偏振转换器，所述偏振转换器包括输入波导1、偏振转换单元2以及输出波导3，其中，所述输入波导1包括多个周期设置的输入片段波导11，所述输出波导3包括多个周期设置的输出片段波导31；

所述输入波导1与所述偏振转换单元2的输入端面耦合，所述输出波导3与所述偏振转换单元2的输出端面耦合；

所述输入波导1用于输入第一偏振光，并对所述第一偏振光进行模场扩束，所述偏振转换单元2用于将所述第一偏振光转换为第二偏振光，所述输出波导3用于输出第二偏振光，并对所述第二偏振光进行模场压缩。

优选地，所述输入片段波导11以及所述输出片段波导31均对应包括波导部分111以及包层部分112，其中，所述包层部分112的折射率小于所述波导部分111的折射率；

在所述输入波导1中，所述包层部分112设置在相邻的所述输入片段波导11中的波导部分111之间；在所述输出波导3中所述包层部分112设置在相邻的所述输出片段波导31中的波导部分111之间。

优选地，在沿靠近所述偏振转换单元2的方向上，所述波导部分111的纵向尺寸逐渐增大直至达到预设值。

优选地，在沿靠近所述偏振转换单元2的方向上，相邻所述波导部分111之间的间隔逐渐增大直至达到预设值；

在沿靠近所述偏振转换单元2的方向上，所述波导部分111的横向尺寸逐渐减小直至达到预设值，以使所述输入片段波导11的长度周期以及所述输出片段波导31的长度周期保持不变。

优选地，所述第一偏振光的波长大于所述输入片段波导11的长度周期和所述输出片段波导31的长度周期。

优选地，所述第一偏振光的波长为1550nm，所述输入片段波导11的长度周期以及所述输出片段波导31的长度周期为500nm±5nm，所述波导部分111的折射率为1.446±0.005，所述包层部分112的折射率为1.435±0.005。

优选地，所述偏振转换单元2为半波片，所述输入波导1与所述输出波导3之间存在切缝，所述半波片设置在所述切缝中，并通过折射率匹配胶将所述半波片对应与所述输入波导1以及所述输出波导3耦合。

优选地，所述偏振转换单元2为半波片，所述第一偏振光的偏振方向与所述半波片的快轴呈预设夹角，以使所述半波片将所述第一偏振光转换为所述第二偏振光。

优选地，所述预设夹角为45°，所述为第一偏振光为TE偏振光，所述第二偏振光为TM偏振光；或所述为第一偏振光为TM偏振光，所述第二偏振光为TE偏振光。

按照本发明的另一方面，提供了一种混频器，所述混频器包括本发明所述的偏振转换器。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：本发明实施例提出一种偏振转换器，该偏振转换器的输入波导用于对第一偏振光对应的模场进行扩束，扩束后的偏振光通过偏振转换单元进行偏振模式转换，得到第二偏振光；然后，输出波导用于对第二偏振光对应的模场进行压缩。本发明实施例的偏振转换器取消了传统偏振模式转换方案中脊型波导的制作工艺，降低波导制作难度；相对于空间光学偏振模式转换结构，具有更小的体积和更高的集成度。同时，通过片段波导对偏振光进行模场扩大或模场压缩，实现模场之间的耦合匹配，能够有效降低偏振转换过程中的耦合损耗。

附图说明

图1是现有技术中空间光学偏振转换结构的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种偏振转换器的剖面结构示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种偏振转换器的剖面结构示意图；

图4是本发明实施例提供的图3中的偏振转换器的俯视结构示意图；

图5是本发明实施例提供的又一种偏振转换器的剖面结构示意图；

图6是本发明实施例提供的再一种偏振转换器的剖面结构示意图；

图7a是本发明实施例提供的图6中的A处光强分布曲线示意图；

图7b是本发明实施例提供的图6中的B处光强分布曲线示意图；

图7c是本发明实施例提供的图6中的C处光强分布曲线示意图；

图8是本发明实施例提供的偏振转换器在相干接收机中的应用示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1：

目前，基于空间光学偏振转换结构制作而成的偏振转换器的体积较大，不利于集成，而且耦合效率低损耗较大；基于脊波导或者其他样式的异形波导制作而成的偏振转换器的结构较复杂，制作难度较大。

为解决前述问题，本发明实施例提供一种偏振转换器，该偏振转换器包括输入波导、偏振转换单元以及输出波导，输入波导与偏振转换单元的输入端面耦合，输出波导与偏振转换单元的输出端面耦合，其中，输入波导包括多个周期设置的输入片段波导，输出波导包括多个周期设置的输出片段波导。在实际应用场景下，输入波导用于输入第一偏振光，并对第一偏振光进行模场扩束，偏振转换单元用于将第一偏振光转换为第二偏振光，输出波导用于输出第二偏振光，并对第二偏振光进行模场压缩。本发明实施例的偏振转换器不仅体积小，制作工艺简单，而且具有较高的耦合效率，可以降低损耗，提高偏振转换器的性能。

下面结合图2～图5，说明本发明实施例提供的偏振转换器对应的实施方式之一。

本发明实施例的偏振转换器包括输入波导1、偏振转换单元2以及输出波导3，其中，所述输入波导1包括多个周期设置的输入片段波导11，相邻输入片段波导11之间是连续的，以保证模场大小呈渐变状态；所述输出波导3包括多个周期设置的输出片段波导31，相邻输出片段波导31之间是连续的，以保证模场大小呈渐变状态。其中，输入片段波导11以及输出片段波导31的数目依据具体情况而定，在此不做具体限定。

其中，所述输入波导1与所述偏振转换单元2的输入端面耦合，所述输出波导3与所述偏振转换单元2的输出端面耦合。输入波导1用于输入第一偏振光，并对第一偏振光进行模场扩束，偏振转换单元2用于将第一偏振光转换为第二偏振光，输出波导3用于输出第二偏振光，并对第二偏振光进行模场压缩。

在实际应用场景中，为了保证耦合效率，在不同类型的波导耦合端面需要进行模场匹配，以提高耦合效率，降低损耗。针对偏振转换单元2，偏振光的模场尺寸越大，耦合效率越高，损耗越小，因此，在本实施例中，所述输入波导1对所述第一偏振光进行模场扩束，扩大第一偏振光的光斑的模场半径，以便于偏振转换单元2更好的对第一偏振光进行模式转换，得到第二偏振光；然后，所述输出波导3对所述第二偏振光进行模场压缩，缩小第二偏振光的光斑的模场半径，从而使得第二偏振光更好的耦合进入相应的光器件。

进一步地，所述输入波导1还包括输入直波导12，所述输入直波导12与所述输入片段波导11的输入端面耦合，所述输入片段波导11的输出端面与所述偏振转换单元2的输入端面耦合，以向偏振转换单元2输入第一偏振光。所述输出波导3还包括输出直波导32，所述输出片段波导31的输入端面与所述偏振转换单元2的输出端面耦合，以接收经过所述偏振转换单元2转换而得到的第二偏振光；所述输出片段波导31的输出端面与所述输出直波导32的输入端面耦合，所述输出直波导32的输出端面与对应的光器件耦合，从而输出第二偏振光。

此外，本发明实施例的偏振转换器还包括基底4以及硅层5，所述基底4设置在所述硅层5上，所述输入波导1、所述偏振转换单元2以及所述输出波导3均对应设置在所述基底4上。

为了提高耦合效率，减小偏振转换过程中的损耗，需要对模场进行扩大或缩小，以实现模场匹配。下面具体说明模场扩大的匹配过程，模场缩小的匹配过程反过来配置即可实现。由于模场半径的大小主要取决于波导的宽度以及波导有效折射率，因此本发明实施例从波导的宽度以及波导有效折射率这两方面着手，提高耦合效率，减小偏振转换过程中的损耗，不仅性能优良，而且制作工艺简单。

具体而言，所述输入片段波导11以及所述输出片段波导31均对应包括波导部分111以及包层部分112，所述包层部分112设置在相邻所述波导部分111之间；其中，所述包层部分112的折射率小于所述波导部分111的折射率。

在其中的一个实施例中，输入波导1的模场大小与输出波导3的模场大小相同或接近相同，为了便于设计，同时，提高输入波导1以及输出波导3之间的模场匹配度，所述输入片段波导11以及所述输出片段波导31相对于所述偏振转换单元2呈对称分布。当然，在其他实施例中，输入波导1的模场大小与输出波导3的模场大小不同时，所述输入片段波导11以及所述输出片段波导31相对于所述偏振转换单元2呈不对称分布，以满足模场匹配的要求。关于输入片段波导11以及输出片段波导31相对于偏振转换单元2的分布关系，依据实际情况设计即可，在此不做具体限定。

在沿靠近所述偏振转换单元2的方向上，所述波导部分111的纵向尺寸W(波导部分111的宽度)逐渐增大直至达到预设值。在沿靠近所述偏振转换单元2的方向上，相邻所述波导部分111之间的间隔b(包层部分112的长度)逐渐增大直至达到预设值；在沿靠近所述偏振转换单元2的方向上，所述波导部分111的横向尺寸a(波导部分111的长度)逐渐减小直至达到预设值，以使所述输入片段波导11的长度周期P以及所述输出片段波导31的长度周期P保持不变，即，长度周期P＝a+b。其中，前述的预设值能够使得输入波导1与输出波导3的模场相互匹配，依据实际情况设计即可，在此不做具体限定。

为便于后续切缝操作，以在输入波导1以及输出波导3设置偏振转换单元2。在优选的实施例中，在沿靠近所述偏振转换单元2的方向上，相邻所述波导部分111之间的间隔b(包层部分112的长度)逐渐增大直至保持不变。由于在输入片段波导1和输出片段波导3之间切缝是机器切割的，有一定的切缝位置误差，当包层部分112的长度达到预设值直至保持不变(保持不变一段长度)时，为后续的切缝操作预留了空间，有利于波导的切缝，避免误切片段波导的情况的发生。

相应地，在沿靠近所述偏振转换单元2的方向上，所述波导部分111的横向尺寸a(波导部分111的长度)逐渐减小直至保持不变，以使所述输入片段波导11的长度周期P以及所述输出片段波导31的长度周期P保持不变，即，长度周期P＝a+b。为了保持模场匹配，在沿靠近所述偏振转换单元2的方向上，所述波导部分111的纵向尺寸W(波导部分111的宽度)逐渐增大直至保持不变。

在此，需要说明的是，分布在不同输入片段波导11中的包层部分112实际上是由一层连续的包层形成的，是一个连续的整体，只是为了便于描述输入片段波导11的结构，才将包层相对于每个输入片段波导11划分为对应的包层部分112。

在实际制作过程中，可在基底4上设置一层波导，然后依据每个波导部分111的尺寸，通过掩模定义对应的波导图案，最后通过蚀刻等方式将波导图案以外的波导去除，从而形成对应的波导部分111。形成波导部分111之后，再在波导部分111上以及基底4上设置包层，从而形成包层部分112。在本实施例中，输入片段波导11以及输出片段波导31的制作工艺简单，难度较低，易于在生产中实现，可以有效解决异性波导制作困难的问题。

前述具体描述了输入片段波导11的结构，下面具体说明输入片段波导11对模场扩束的原理。

在一个长度周期P内，波导部分111为高折射率材料(折射率n₁)，波导部分111的长度为a；包层部分112为低折射率材料(折射率n₂)，包层部分112的长度为b，则占空比

为每个长度周期P中高折射率部分占据的比例。

根据色散方程，并选定色散线性工作区，取

其中，εl为低折射率材料的介电常数，εh为高低折射率材料介电常数，μ为真空磁导率，κx为x方向的波矢，κy为y方向的波矢。推导得到片段波导的有效折射率n_eff与占空比D的关系如下公式一所示：

n_eff＝n₂+(n₁-n₂)×D 公式一

由公式一可知，当占空比D发生变化时，片段波导有效折射率n_eff也会相应发生变化(有效折射率n_eff与占空比D呈正比)。而当有效折射率n_eff发生变化时，片段波导对光场的束缚能力也会相应改变，以调节光斑模场大小。具体地，占空比D减小时，有效折射率n_eff减小，片段波导对光场的束缚能力减弱，光斑模场变大；占空比D增大时，有效折射率n_eff增大，片段波导对光场的束缚能力增强，光斑模场变小。

另外，在一定范围内，模场半径会随着波导宽度W的增大而增大。

根据等效介质理论当几种材料组成的波导结构的长度小于该波导结构传输的光信号的波长时，构成该波导结构的几种材料可等效为一种均一化的等效介质材料。因此，在本实施例中，当长度周期P小于偏振光的波长时，片段波导可以等效于均一化的介质材料，则片段波导的有效折射率可以由上述公式一而定。

在可选的实施例中，为了增大模场半径，在沿靠近偏振转换单元2的方向上，输入片段波导11的占空比D，逐渐变小到D_min后保持不变，同时，波导宽度W沿波导方向逐渐变大到W_max后保持不变。其中，占空比D_min以及波导宽度W_max为保持光场在片段波导中以基模传输的最值。

第一偏振光在输入片段波导11中传输时，模场半径逐渐增大，具体的测试曲线如图7a～图7b所示。图7a为图6中的A处的光强分布曲线，A处距离偏振转换单元2最远，光斑的模场半径约为3μm；图7b为图6中的B处的光强分布曲线，B处与偏振转换单元2之间的距离介于A处与C处之间，光斑的模场半径约为5μm；图7c为图6中的C处的光强分布曲线，C处距离偏振转换单元2最远，光斑的模场半径约为11μm。由图7a～图7b的光强分布曲线可知，经过输入片段波导11的偏振光的模场半径在逐步增大，实现了对模场的扩束。

在本实施例中，输入片段波导11与输出片段波导31相对于偏振转换单元2呈对称分布，输出片段波导31的结构与输入片段波导11类似，具体请参照输入片段波导11的结构描述，在此不再赘述。关于输出片段波导31如何对模场进行缩小的原理以及过程，与输入片段波导11扩大模场的过程相反，具体请参照前述关于扩大模场的推导，在此不再赘述。

在可选的实施例中，所述偏振转换单元2为半波片，所述输入波导1与所述输出波导3之间存在切缝，所述半波片设置在所述切缝中，并通过折射率匹配胶将所述半波片对应与所述输入波导1以及所述输出波导3耦合。该折射率匹配胶一方面用于黏连半波片，将半波片固定设置在输入波导1和输出波导3之间；另一方面作为介质填充在波导与半波片之间，进行折射率匹配，以减小端面菲涅尔反射。并且，所述第一偏振光的偏振方向与所述半波片的快轴呈预设夹角，以使所述半波片将所述第一偏振光转换为所述第二偏振光。

举例而言，所述预设夹角为45°，第一偏振光经过半波片后，偏振状态偏转90°，以实现正交模式的偏振光之间的转换。在实际应用场景中，所述为第一偏振光为TE偏振光，所述第二偏振光为TM偏振光；或所述为第一偏振光为TM偏振光，所述第二偏振光为TE偏振光，偏振光的偏振状态的选择具体可依据实际情况而定。

当第一偏振光从输入片段波导11入射进入半波片后，失去了波导对光场的约束作用，光场在半波片中传输时伴随着光束的传输而发散。发散的第一偏振光通过半波片后实现偏振模式转换，之后重新耦合进入输出片段波导31中，根据高斯光斑模场匹配法，发散的偏振光束耦合进入输出片段波导31的耦合损耗如下公式二：

其中，L＝L₀/n(L₀为半波片的厚度，n为半波片的折射率)，λ为第一偏振光的波长，ω为经输入片段波导11扩束后的光斑模场半径。由于半波片厚度L₀及折射率n为定值，由公式二可知，ω越大，耦合效率越高。因此，通过输入片段波导11扩大波导中的光斑的模场半径，可以有效降低偏振模式转换过程中的耦合损耗。

本发明实施例的偏振转换器取消了传统偏振模式转换方案中脊型波导的制作，降低波导制作难度；相对于空间光学偏振模式转换结构，具有更小的体积和更高的集成度。同时，输入片段波导以及输出片段波导对称分布在偏振转换单元的两边，起到对模场扩大和缩小的作用，实现了不同光器件之间的模场匹配，提高耦合效率，能够有效降低模式转换过程中的耦合损耗。

实施例2：

相比较实施例1中侧重于结构以及原理上阐述，本发明实施例还提供了本领域技术中可行的参数配置，具体的：

第一偏振光的中心波长为1550nm，长度周期P＝500nm，波导部分111折射率n₁＝1.446，包层部分112的折射率n₂＝1.435，占空比D_min＝0.5，波导宽度W_max＝9μm，片段波导中包含10个长度周期。按照本实施例的偏振装换器进行模场转换时，损耗大约为1dB，而采用现有技术的方式进行模场转换时，损耗大约为5dB。因此，按照本实施例的偏振装换器进行模场转换时，损耗大大降低，提高了光转换的效率。

在此，需要说明的是，前述的数值是四舍五入之后的结果，但是在实际生产制造的过程中，由于工艺的误差或其他因素的考量，波导部分111的折射率以及包层部分112的折射率可能与前述列举的并不相同，存在一定的容差范围。发明人经过大量的实验发现当折射率容差控制在±0.005时，同样能够达到较好的转换效果。同样，长度周期P也会存在一定的容差范围，容差范围控制在±5nm时，同样能够达到较好的转换效果。

实施例3：

本发明实施例还提供一种混频器，如图8所示，该混频器7包括偏振转换器71，其中偏振转换器71的具体结构请参照上述实施例1以及相关的文字描述，在此，不再赘述。

在实际应用场景中，混频器7为90°混频器，该90°混频器具体可应用于集成相干接收机中。举例而言，TE偏振光(或TM偏振光)经过90°混频器中的偏振转换器71，进行模式转换，偏振转态偏转90°得到TM偏振光(或TE偏振光)，从而对不同偏振状态的偏振光进行解调。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种偏振转换器，其特征在于，所述偏振转换器包括输入波导(1)、偏振转换单元(2)以及输出波导(3)，其中，所述输入波导(1)包括多个周期设置的输入片段波导(11)，所述输出波导(3)包括多个周期设置的输出片段波导(31)；

所述输入波导(1)与所述偏振转换单元(2)的输入端面耦合，所述输出波导(3)与所述偏振转换单元(2)的输出端面耦合；

其中，所述偏振转换单元(2)为半波片，所述输入片段波导(11)以及所述输出片段波导(31)均对应包括波导部分(111)以及包层部分(112)，在沿靠近所述偏振转换单元(2)的方向上，所述波导部分(111)的纵向尺寸逐渐增大直至达到预设值；

在沿靠近所述偏振转换单元(2)的方向上，相邻所述波导部分(111)之间的间隔逐渐增大直至达到预设值；

在沿靠近所述偏振转换单元(2)的方向上，所述波导部分(111)的横向尺寸逐渐减小直至达到预设值，以使所述输入片段波导(11)的长度周期以及所述输出片段波导(31)的长度周期保持不变；

所述输入波导(1)用于输入第一偏振光，并对所述第一偏振光进行模场扩束，所述偏振转换单元(2)用于将所述第一偏振光转换为第二偏振光，所述输出波导(3)用于输出第二偏振光，并对所述第二偏振光进行模场压缩。

2.根据权利要求1所述的偏振转换器，其特征在于，其中，所述包层部分(112)的折射率小于所述波导部分(111)的折射率；

在所述输入波导(1)中，所述包层部分(112)设置在相邻的输入片段波导(11)中的波导部分(111)之间；在所述输出波导(3)中，所述包层部分(112)设置在相邻的输出片段波导(31)中的波导部分(111)之间。

3.根据权利要求1所述的偏振转换器，其特征在于，所述第一偏振光的波长大于所述输入片段波导(11)的长度周期和所述输出片段波导(31)的长度周期。

4.根据权利要求1所述的偏振转换器，其特征在于，所述第一偏振光的波长为1550nm，所述输入片段波导(11)的长度周期以及所述输出片段波导(31)的长度周期为500nm±5nm，所述波导部分(111)的折射率为1.446±0.005，所述包层部分(112)的折射率为1.435±0.005。

5.根据权利要求1～4任一项所述的偏振转换器，其特征在于，所述输入波导(1)与所述输出波导(3)之间存在切缝，所述半波片设置在所述切缝中，并通过折射率匹配胶将所述半波片对应与所述输入波导(1)以及所述输出波导(3)耦合。

6.根据权利要求1～4任一项所述的偏振转换器，其特征在于，所述第一偏振光的偏振方向与所述半波片的快轴呈预设夹角，以使所述半波片将所述第一偏振光转换为所述第二偏振光。

7.根据权利要求6所述的偏振转换器，其特征在于，所述预设夹角为45°，所述为第一偏振光为TE偏振光，所述第二偏振光为TM偏振光；或

所述为第一偏振光为TM偏振光，所述第二偏振光为TE偏振光。

8.一种混频器，其特征在于，所述混频器包括如权利要求1～7任一项所述的偏振转换器。

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