CN109725385B - 一种基于波导光栅耦合器的光偏振态调整芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于波导光栅耦合器的光偏振态调整芯片，包括一个第一波导，用于向3dB分束器输入光源；两个第二波导，用于连接3dB分束器和热光调制器；两个第三波导，用于连接热光调制器和光衰减器；两个第四波导，用于连接光衰减器和模式转换器；一个3dB分束器；两个热光调制器；两个光衰减器；一个具有两个输入端口的波导光栅耦合器；两个模式转换器位于波导光栅耦合器的两个输出端口。本发明的一种基于波导光栅耦合器的光偏振态调整芯片，其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。
Description
技术领域
本发明涉及到光学偏振态调整技术，尤其涉及到一种基于波导器件的光学偏振态调整集成芯片。
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。随着科学技术的发展，光纤中光的偏振态成了影响光纤系统进一步取得发展的制约因素，而且随着目前光纤通信系统速率的不断提高，偏振态对系统的发展的制约变得愈加明显。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了。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。目前片上/片间光学网络中，需要偏振态调整，使得出射光进入光纤时，满足光偏振态要求。综上所述，根据需求调整进入光纤的光的偏振态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。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于波导光栅耦合器的光偏振态调整芯片，用于解决现有技术中的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于波导光栅耦合器的光偏振态调整芯片，所述光偏振态调整芯片包括第一波导1、第二波导3、第三波导6、第四波导9、分束器2、第一热光调制器4、第二热光调制器5、第一光衰减器7、第二光衰减器8、第一模式转换器10、第二模式转换器11和波导光栅耦合器12；
所述第一波导1与所述分束器2耦合，分束器具有两个输出端，其中一个输出端通过一第二波导3与第一热光调制器4耦合，另一个输出端通过一第二波导3与第二热光调制器5耦合；所述第一热光调制器4通过一第三波导6与第一光衰减器7耦合，所述第二热光调器5通过一第三波导6与第二光衰减器8耦合；所述第一光衰减器7通过一第四波导9与第一模式转换器10耦合，所述第一模式转换器10与所述波导光栅耦合器12耦合，所述第二光衰减器8通过一第四波导9与第二模式转换器11耦合，所述第二模式转换器11与所述波导光栅耦合器12耦合。
可选地，所述波导光栅耦合器12包括第一输入端口122、第二输入端口123和光栅区域121，所述第一输入端口与所述第一模式转换器10耦合，所述第二输入端口与所述第二模式转换器11耦合；所述光栅区域121将进入到所述第一输入端口122与所述第二输入端口123的光进行耦合并由光栅区域表面射出。
可选地，所述第一输入端口122与所述第二输入端口123相互垂直。
可选地，所述波导光栅耦合器12将第一模式转换器10输入的光和第二模式转换器11输入的光分别耦合进入所述波导光栅耦合器形成两个相互正交的偏振光。
可选地，所述波导光栅耦合器12为波导型二维光栅耦合器。
可选地，所述第一输入端口与所述第二输入端口形成波导区域，所述光栅区域121由二维阵列组成，其折射率与所述波导区域不一致。
可选地，所述第一模式转换器由与所述第四波导耦合的端口至与所述波导光栅耦合器耦合的端口的尺寸逐渐增大；所述第二模式转换器由与所述第四波导耦合的端口至与所述波导光栅耦合器耦合的端口的尺寸逐渐增大。
可选地，所述第四波导尺寸最大的部分与所述第一输入端口的尺寸相等，所述第四波导尺寸最大的部分与所述第二输入端口的尺寸相等。
可选地，所述第一波导、第二波导、第三波导和第四波导都为单模波导。
可选地，所述第一波导1、第二波导3、第三波导6、第四波导9、分束器2、第一热光调制器4、第二热光调制器5、第一光衰减器7、第二光衰减器8、第一模式转换器10、第二模式转换器11和波导光栅耦合器12均为可集成的光波导型器件。
如上所述，本发明的一种基于波导光栅耦合器的光偏振态调整芯片，具有以下有益效果：
本发明的一种基于波导光栅耦合器的光偏振态调整芯片，其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为本发明实施例中的基于波导光栅耦合器的光偏振态调整芯片结构示意图；
图2为本发明实施例中的波导光栅耦合器结构示意图；
图3为本发明实施例中的波导光栅耦合器两束正交偏振光合束原理示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1，本发明提供本发明提供一种基于波导光栅耦合器的光偏振态调整芯片，所述光偏振态调整芯片包括第一波导1、第二波导3、第三波导6、第四波导9、分束器2、第一热光调制器4、第二热光调制器5、第一光衰减器7、第二光衰减器8、第一模式转换器(10、第二模式转换器11和波导光栅耦合器12；
所述第一波导1与所述分束器2耦合，分束器具有两个输出端，其中一个输出端通过一第二波导3与第一热光调制器4耦合，另一个输出端通过一第二波导3与第二热光调制器5耦合；所述第一热光调制器4通过一第三波导6与第一光衰减器7耦合，所述第二热光调器5通过一第三波导6与第二光衰减器8耦合；所述第一光衰减器7通过一第四波导9与第一模式转换器10耦合，所述第一模式转换器10与所述波导光栅耦合器12耦合，所述第二光衰减器8通过一第四波导9与第二模式转换器11耦合，所述第二模式转换器11与所述波导光栅耦合器12耦合。
本发明的一种基于波导光栅耦合器的光偏振态调整芯片，其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。
具体地，所述第一波导1、所述第二波导3、所述第三波导6、所述第四波导9均具有一光出射出端；所述分束器2具有一光输入端和两光输出端；所述第一热光调制器4、所述第二热光调制器5均具有一个光输入端和一光输出端；所述第一光衰减器7、所述第二光衰减器8均具有一个光输入端和一光输出端；所述第一模式转换器10、所述第二模式转换器11均具有一个光输入端和一光输出端；
所述第一波导1的光出射端与所述分束器的光输入端耦合；
所述分束器2的其中一个光输出端与一第二波导3的光入射端耦合，第二波导3的光出射端与第一热光调制器4的光输入端耦合，第一热光调制器4的光输出端与第三波导6的光入射端耦合，第三波导6的光出射端与第一光衰减器7的光输入端耦合，第一光衰减器7的光输出端与第四波导9的光入射端耦合，第四波导9的光出射端与第一模式转换器10的光输入端耦合，第一模式转换器10的光输出端与波导光栅耦合器耦合；
所述分束器3的另外一个光输出端与一第二波导3的光入射端耦合，第二波导3的光出射端与第二热光调制器5的光输入端耦合，第二热光调制器5的光输出端与第三波导6的光入射端耦合，第三波导6的光出射端与第二光衰减器8的光输入端耦合，第二光衰减器8的光输出端与第四波导9的光入射端耦合，第四波导9的光出射端与第二模式转换器11的光输入端耦合，第二模式转换器11的光输出端与波导光栅耦合器12耦合。
更加具体地，所述波导光栅耦合器12具有第一输出端口122和第二输出端口123；所述第一模式转换器10的光输出端与所述第一输出端口122耦合，所述第二模式转换器11的光输出端与所述第二输出端口123耦合。
于本实施例中，分束器为3dB分束器。第一波导1作为输入光的传播波导，将光源传输进入3dB分束器2，之后光源等分成两束一致的光，分别进入两个第二波导3；第一热光调制器4和第二热光调制器5均具有光输入和光输出各一个端口，通过热调的方式，实现对光的相位调节；第一光衰减器7和第二光衰减器8均具有光输入和光输出各一个端口，通过热调的方式，实现对光的强度调节。
于一实施例中，第一波导1、第二波导3、第三波导6、第四波导9都为单模波导，分束器2、第一热光调制器4、第一光衰减器7、第一模式转换器10依次连接，第二热光调制器5、第二光衰减器8、第二模式转换器11依次连接，第一模式转换器10和第二模式转换器11分别与波导光栅耦合器12连接，实现片上光传输。光的偏振态可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。
于一实施例中，如图2所示，所述的波导光栅耦合器12作为光的输出接口，包括第一输入端口122、第二输入端口123和光栅区域121，所述第一输入端口与所述第一模式转换器10耦合，所述第二输入端口与所述第二模式转换器11耦合；所述光栅区域121将进入到所述第一输入端口122与所述第二输入端口123的光进行耦合并由光栅区域表面射出。
具体地，所述波导光栅耦合器12是波导型二维光栅耦合器，波导光栅耦合器包括了一光栅区域121，其由一个二维阵列组成，整体呈一个正方形结构。其中，正方形结构相邻的两条边向远离光栅区域向外延伸形成了第一输入端口122和第二输入端口123，第一输入端口122和第二输入端口123形成波导区域，所述波导区域与所述光栅区域的折射率不一致。
进一步地，第一输入端口122、第二输入端口123相互垂直。波导光栅耦合器12将第一模式转换器10和第二模式转换器11的输入的光分别耦合进入光栅耦合器的第一输入端口122、第二输入端口123形成两个相互正交的偏振光耦合输出。
于一实施例中，所述第一波导1、第二波导3、第三波导6、第四波导9、分束器2、第一热光调制器4、第二热光调制器5、第一光衰减器7、第二光衰减器8、第一模式转换器10、第二模式转换器11和波导光栅耦合器12均为可集成的光波导型器件，制作在常见的光波导材料衬底上。
于一实施例中，所述第一模式转换器10与所述第二模式转换器11采用同样的结构，其中，所述第一模式转换器10由与所述第四波导9耦合的端口至与所述波导光栅耦合器12耦合的端口的尺寸逐渐增大。则同样的，所述第二模式转换器11由与所述第四波导9耦合的端口至与所述波导光栅耦合器12耦合的端口的尺寸逐渐增大。需要说明的是，所述第四波导尺寸最大的部分与所述第一输入端口的尺寸相等，所述第四波导尺寸最大的部分与所述第二输入端口的尺寸相等。
本发明提出了基于波导、3dB分束器、热光调制器、光衰减器、波导光栅耦合器等集成光学器件的光偏振态调整芯片，可以实现片上的光学偏振态连续可调，不需要添加其他分离器件，即可实现任意偏振态输出光。与传统的光偏振态调整器相比，能够有效降低器件的面积，提高系统的集成度，可以在未来的片上/片间光通信网络中获得广泛的应用。
当光通过第一波导1传输进入3dB分束器，光被等分成两束相位和强度一致的光，分别进入第二波导3后分别传输进入第一热光调制器4、第二热光调制器5。第一热光调制器4和第二热光调制器5是利用温度对光进行相位调节的器件，可以改变光传输路径的有效折射率等，从而改变传输光的相位信息。相位调节后光进入第三波导6传输进入第一光衰减器7,第二光衰减器8。第一光衰减器7和第二光衰减器8是利用温度对光进行强度调节的器件，可以改变光传输路径的吸收系数等，从而改变传输光的强度信息。强度调节后光进入第四波导9传输进入第一模式转换器10、第二模式转换器11。光沿芯片平面内传播时，他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。通过第一模式转换器10、第二模式转换器11实现光由单模转换为多模，光进入波导光栅耦合器12的第一输入端口122和第二输入端口123，光在光栅区域121处发生耦合散射，光由光栅区域121的表面射出。由于波导光栅耦合器12是偏振敏感器件，能够将第一输入端口122和第二输入端口123中的两束偏振态相同的光转换为偏振方向正交的两束光，两束光合成为一束出射光，其偏振和强度由第一输入端口122和第二输入端口123的入射光的强度和相位共同决定。第一输入端口122和第一输入端口123正交，其出射光的场强分别为Ex(z,t)＝iE0x cos(ωt-kz-εx)和Ey(z,t)＝jE0y cos(ωt-kz-εy)。而第一输入端口122和第二输入端口123的入射光的E0x,E0y,εx,εy，分别由第一光衰减器7、第二光衰减器8和第一热光调制器4、第二热光调制器5调节，从而实现光偏振态可调，能任意椭圆形偏振并传播出射，出射光的表达式为E(z,t)＝iE0x cos(ωt-kz-εx)+jE0y cos(ωt-kz-εy)。
当Ex(z,t)和Ey(z,t)两个正交的直线偏振其相对相位差ε＝εx-εy，可以将Ex(z,t)和Ey(z,t)两个表达式简化为Ex＝E0x cos(ωt-kz)和Ey＝E0y cos(ωt-kz-ε)，可得
这是一个椭圆方程，即出射光为椭圆偏振光。可以通过调节第一热光调制器4、第一热光调制器5，改变波导中两束光的相位差ε，可以通过调节第一光衰减器7、第二光衰减器8，改变波导中两束光的振幅E0x和E0y。
当Ex(z,t)和Ey(z,t)两个正交的直线偏振其相对相位差ε＝εx-εy是0或者2π整数倍时，出射光为E(z,t)＝(iE0x+jE0y)cos(ωt-kz)，其为直线偏振光。而当两个正交的直线偏振光具有相同的振幅E0x＝E0y＝E0，其相对相位差
m为整数时，
出射光为圆偏振光。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种基于波导光栅耦合器的光偏振态调整芯片，其特征在于，所述光偏振态调整芯片包括第一波导(1)、第二波导(3)、第三波导(6)、第四波导(9)、分束器(2)、第一热光调制器(4)、第二热光调制器(5)、第一光衰减器(7)、第二光衰减器(8)、第一模式转换器(10)、第二模式转换器(11)和波导光栅耦合器(12)；
所述第一波导(1)与所述分束器(2)耦合，分束器具有两个输出端，其中一个输出端通过一第二波导(3)与第一热光调制器(4)耦合，另一个输出端通过一第二波导(3)与第二热光调制器(5)耦合；所述第一热光调制器(4)通过一第三波导(6)与第一光衰减器(7)耦合，所述第二热光调器(5)通过一第三波导(6)与第二光衰减器(8)耦合；所述第一光衰减器(7)通过一第四波导(9)与第一模式转换器(10)耦合，所述第一模式转换器(10)与所述波导光栅耦合器(12)耦合，所述第二光衰减器(8)通过一第四波导(9)与第二模式转换器(11)耦合，所述第二模式转换器(11)与所述波导光栅耦合器(12)耦合；
所述波导光栅耦合器(12)包括第一输入端口(122)、第二输入端口(123)和光栅区域(121)，所述第一输入端口与所述第一模式转换器(10)耦合，所述第二输入端口与所述第二模式转换器(11)耦合；所述光栅区域(121)将进入到所述第一输入端口(122)与所述第二输入端口(123)的光进行耦合并由光栅区域表面射出；
所述第一模式转换器由与所述第四波导耦合的端口至与所述波导光栅耦合器耦合的端口的尺寸逐渐增大；所述第二模式转换器由与所述第四波导耦合的端口至与所述波导光栅耦合器耦合的端口的尺寸逐渐增大。
2.根据权利要求1所述的一种基于波导光栅耦合器的光偏振态调整芯片，其特征在于，所述第一输入端口(122)与所述第二输入端口(123)相互垂直。
3.根据权利要求2所述的一种基于波导光栅耦合器的光偏振态调整芯片，其特征在于，所述波导光栅耦合器(12)将第一模式转换器(10)输入的光和第二模式转换器(11)输入的光分别耦合进入所述波导光栅耦合器形成两个相互正交的偏振光。
4.根据权利要求1所述的一种基于波导光栅耦合器的光偏振态调整芯片，其特征在于，所述波导光栅耦合器(12)为波导型二维光栅耦合器。
5.根据权利要求4所述的一种基于波导光栅耦合器的光偏振态调整芯片，其特征在于，所述第一输入端口与所述第二输入端口形成波导区域，所述光栅区域(121)由二维阵列组成，其折射率与所述波导区域不一致。
6.根据权利要求1所述的一种基于波导光栅耦合器的光偏振态调整芯片，其特征在于，所述第一模式转换器尺寸最大的部分与所述第一输入端口的尺寸相等，所述第二模式转换器尺寸最大的部分与所述第二输入端口的尺寸相等。
7.根据权利要求1所述的一种基于波导光栅耦合器的光偏振态调整芯片，其特征在于，所述第一波导、第二波导、第三波导和第四波导都为单模波导。
8.根据权利要求1所述的一种基于波导光栅耦合器的光偏振态调整芯片，其特征在于，所述第一波导(1)、第二波导(3)、第三波导(6)、第四波导(9)、分束器(2)、第一热光调制器(4)、第二热光调制器(5)、第一光衰减器(7)、第二光衰减器(8)、第一模式转换器(10)、第二模式转换器(11)和波导光栅耦合器(12)均为可集成的光波导型器件。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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