CN109728857A - 一种集成相干接收机 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种集成相干接收机，解决了现有技术的集成相干接收机体积大，光路损耗大的问题。包括第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一混频器、第二混频器和PD阵列。集成相干接收机使用的波导材料为硅基二氧化硅。第一偏振分束器和第二偏振分束器的结构为马赫‑曾德干涉仪，分别输入本地光和信号光，将本地光和信号光分为TE模式和TM模式。本地光和信号光的TE模式光信号输入第一混频器混频后输出能量相等、相位不同的四个光信号，TM模式光信号输入第二混频器混频后输出能量相等、相位不同的四个光信号。PD阵列中的每一个PD耦合对准一个输出波导，将输出的光信号转换为电信号。具有能够缩小体积、便于制作、减小光路损耗的优点。
Description
技术领域
本申请涉及光通信领域，尤其涉及一种集成相干接收机。
背景技术
随着5G通信的发展和逐步应用，对通信系统的要求越来越高。相干接收系统与直接接收系统相比，除了具有选择性好、灵敏度高等优势外，能在同样通信速率下降低信道速率，降低对电子器件速率的要求，能提高色散容限。
目前所报道的集成接收机可分为自由空间型和全光纤型两类：基于自由空间光学的相干接收机由自由空间光学90°混频器，PD阵列和高频传输电路组成，早期被广泛应用于相干光通信系统中，但它是由多个光学部件组装而成，因此光路很复杂，制作成本很高，另外由于体积较大，不满足OIF标准中尺寸的规定；基于全光纤类型的相干接收机由光纤型90°混频器，PD阵列与高频电路组成，性能能够满足相干光通信要求，与高速PD阵列集成在一起制成接收机非常困难，同时体积较大，不满足OIF标准中尺寸的规定。
因此，本发明提出一种集成相干接收机，解决了现有技术的集成相干接收机体积大，光路损耗大的问题，具有能够缩小体积、便于制作、减小光路损耗的优点。
发明内容
本申请提出一种集成相干接收机，解决了现有技术的集成相干接收机体积大，光路损耗大的问题。
本申请实施例提供一种集成相干接收机，包括第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一混频器、第二混频器和PD阵列。
所述集成相干接收机使用的波导材料为硅基二氧化硅。
所述第一偏振分束器和第二偏振分束器的结构为马赫-曾德干涉仪，分别输入本地光和信号光，将所述本地光和信号光分为TE模式和TM模式。
所述本地光和信号光的TE模式光信号输入第一混频器混频后输出能量相等、相位不同的四个光信号，TM模式光信号输入第二混频器混频后输出能量相等、相位不同的四个光信号。
所述PD阵列中的每一个PD耦合对准所述第一混频器和第二混频器中的一个输出波导，将所述第一混频器和第二混频器输出的光信号转换为电信号。
优选地，所述第一混频器和第二混频器输出波导的输出端为与光信号传播方向呈45°角的切面。
优选地，所述第一偏振分束器、第二偏振分束器分别包括上臂、下臂、第一MMI(多模干涉型耦合器)和第二MMI。
光信号输入第一MMI分为两束，分别沿上臂和下臂传输，然后在第二MMI处耦合后，由不同端口输出。
优选地，所述第一混频器和第二混频器为90°混频器，所述TM模式/TE模式的光信号混频后输出四个光信号的相位分别为0°、180°、90°和270°。
优选地，所述第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一混频器和第二混频器集成于同一芯片。
优选地，所述集成相干接收机还包括两个差分放大器，每个差分放大器连接四个PD，将PD输入的微电流信号差分放大为电压信号。
优选地，所述集成相干接收机还包括高速传输设备，用于与外部设备连接，输出信号。
优选地，所述PD阵列与所述第一混频器和第二混频器输出波导通过红外成像方法进行耦合对称监控。
优选地，对所述上臂或下臂的波导宽度和长度进行优化设计，改变输入光信号的有效折射率，实现TE/TM模式的分离。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
所述表贴元器件测试载盘具有能够保护表贴元器件不被污染和损伤、提高工作效率、可固定多个叠放的载盘、方便搬运的优点。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例提供的一种集成相干接收机的结构图；
图2为本申请实施例提供的第一偏振分束器和第二偏振分束器的结构图；
图3为本申请实施例提供的第一混频器和第二混频器的原理图；
图4为本申请实施例提供的第一混频器和第二混频器输出波导与PD阵列耦合的结构图；
图5为本申请实施例提供的另一种集成相干接收机的结构图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
图1为本申请实施例提供的一种集成相干接收机的结构图，所述集成相干接收机包括第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一混频器、第二混频器和PD阵列。
所述集成相干接收机使用的波导材料为硅基二氧化硅。所述第一偏振分束器和第二偏振分束器的结构为马赫-曾德干涉仪，分别输入本地光和信号光，将所述本地光和信号光分为TE模式和TM模式。所述本地光和信号光的TE模式光信号输入第一混频器混频后输出能量相等、相位不同的四个光信号，TM模式光信号输入第二混频器混频后输出能量相等、相位不同的四个光信号。所述PD阵列中的每一个PD耦合对准所述第一混频器和第二混频器中的一个输出波导，将所述第一混频器和第二混频器输出的光信号转换为电信号。
所述PD阵列包括的PD数目等于所述第一混频器和第二混频器输出波导数目的和。所述集成相干接收机工作时，向所述第一偏振分束器输入本地光信号，向所述第二偏振分束器输入信号光。所述第一偏振器和第二偏振器通过分离所述本地光和信号光的偏振态将所述本地光和信号光分别分为TE模式和TM模式。所述第一混频器接收本地光的TE模式以及信号光的TE模式，混频后输出能量相等、相位不同的四个光信号。所述第二混频器接收本地光的TM模式以及信号光的TM模式，混频后输出能量相等、相位不同的四个光信号。所述PD阵列中的每一个PD耦合对准所述第一混频器和第二混频器中的一个输出波导，将所述第一混频器和第二混频器输出的八个光信号转换为八个电信号。
在本实施例中，所述第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一混频器和第二混频器集成于同一芯片。由于所述集成相干接收机使用的波导材料为硅基二氧化硅，所述第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一混频器和第二混频器集成于同一硅基芯片，所述第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一混频器和第二混频器的波导材料均为硅基二氧化硅。减小了所述集成相干接收机的体积，便于所述集成相干接收机的制造，扩大应用范围。同时减小了光信号传播路径中的能量损耗，提高了耦合效率。
图2为本申请实施例提供的第一偏振分束器和第二偏振分束器的结构图，所述第一偏振分束器和第二偏振分束器结构为马赫-曾德干涉仪，包括上臂1、下臂2、第一MMI 3和第二MMI 4。
光信号输入第一MMI分为两束，分别沿上臂和下臂传输，然后在第二MMI处耦合后，由不同端口输出。
在本实施例中，当偏振分束器的波导宽度不同时，由于波导芯层在横截面的几何结构和应力作用下对TE/TM模式具有不同有效折射率。可以通过对所述偏振分束器中上臂或下臂的波导宽度和长度进行优化设计，改变对输入光信号的有效折射率，从而实现TE/TM模式的分离。
在硅基单模光波导中，TE/TM模式的有效折射率如下：
nTE＝nTE0-C1σx-C2(σy+σz) (1)
nTM＝nTM0-C1σy-C2(σx+σz) (2)
其中，nTE0和nTM0是由光波导的几何形状决定的TE/TM模式的有效折射率；C1和C2分别表示硅基材料的光弹性常数，σx、σy和σz分别是光波导在水平，垂直和传播方向上的应力。
输入所述偏振分束器的光信号的TE/TM模式在硅基光波导中的双折射差如下：
B＝Bg+Bs (3)
Bs＝(σx-σy)(C1-C2) (4)
Bg＝nTM0-nTE0 (5)
其中，Bs和Bg分别为由应力引起的双折射和由几何结构引起的双折射。因此利用所述硅基波导对TE/TM模式的双折射特点，对所述偏振分束器中上臂或下臂的波导宽度和长度进行优化设计，最终能够实现TE/TM模式分离。
作为本申请的实施例，光信号从所述偏振分束器的输入端port1或port2输入，经过第一MMI实现3dB分光，将光信号分为两束。两束光信号分别沿上臂和下臂传输，由于TE/TM模式在宽波导中的传播常数不同，因此经上臂和下臂传播的光信号的TE/TM模式的相位延迟不同，通过优化宽波导的长度使TE/TM模式得相位差为180°，上臂和下臂输出的两束光信号在第二MMI处进行耦合，由于TE/TM模式的相位差不同，从而使TE/TM模式分别从不同的输出端口输出，实现TE/TM模式分离。
图3为本申请实施例提供的第一混频器和第二混频器的原理图，如图3所示，所述第一混频器或第二混频器包括四个输入端和四个输出端。例如，在所述第一混频器工作时，所述本地光的TE信号输入端口1或端口2，所述信号光的TE信号输入端口3或端口4。经过所述第一混频器混频后输出能量相等、相位不同的四个光信号。所述第二混频器工作时，所述本地光的TM信号输入端口1或端口2，所述信号光的TM信号输入端口3或端口4。经过所述第二混频器混频后输出能量相等、相位不同的四个光信号。
作为本申请实施例的优化，所述第一混频器和第二混频器为90°混频器，所述TM模式/TE模式的光信号混频后输出四个光信号的相位分别为0°、180°、90°和270°。
图4为本申请实施例提供的第一混频器和第二混频器输出波导与PD阵列耦合的结构图，如图4所示，所述第一混频器和第二混频器输出波导的输出端为与光信号传播方向呈45°角的切面。
在本实施例中，所述第一混频器或第二混频器的输出波导输出端与光信号传播方向呈45°角的切面可以使通过所述输出波导输出的光信号传播方向改变90°，进一步地使所述每个输出波导可以通过无源对准的方法与所述PD阵列中的一个PD的光敏面耦合，达到最大的耦合效率。
由于所述输出波导与PD的光敏面采用无源对准的方法耦合，所述PD阵列与所述第一混频器和第二混频器输出波导可以通过红外成像方法进行耦合对称监控。即利用所述输出波导输出的光斑进行光学位置监控，改变了原本的电流监控方法，避免了测量PD阵列电流时需要额外进行金丝键合而对高频特性的可能破坏。
图5为本申请实施例提供的另一种集成相干接收机的结构图，如图5所示，所述集成相干接收机还包括两个差分放大器，每个差分放大器连接四个PD，将PD输入的微电流信号差分放大为电压信号。
在本实施例中，每个所述差分放大器用于放大所述第一混频器或第二混频器所输出的光信号转换为的电信号。
优选地，所述集成相干接收机还包括高速传输设备，用于与外部设备连接，输出信号。所述高速传输设备是所述集成相干接收机中的一个过渡设备，可以作为一个呈上启下，且其高频带宽的大小直接关系到接收机的带宽。
本领域内的技术人员应明白，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。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (9)
1.一种集成相干接收机，其特征在于，包括第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一混频器、第二混频器和PD阵列；
所述集成相干接收机使用的波导材料为硅基二氧化硅；
所述第一偏振分束器和第二偏振分束器的结构为马赫-曾德干涉仪，分别输入本地光和信号光，将所述本地光和信号光分为TE模式和TM模式；
所述本地光和信号光的TE模式光信号输入第一混频器混频后输出能量相等、相位不同的四个光信号，TM模式光信号输入第二混频器混频后输出能量相等、相位不同的四个光信号；
所述PD阵列中的每一个PD耦合对准所述第一混频器和第二混频器中的一个输出波导，将所述第一混频器和第二混频器输出的光信号转换为电信号。
2.如权利要求1所述的集成相干接收机，其特征在于，所述第一混频器和第二混频器输出波导的输出端为与光信号传播方向呈45°角的切面。
3.如权利要求1所述的集成相干接收机，其特征在于，所述第一偏振分束器、第二偏振分束器分别包括上臂、下臂、第一MMI和第二MMI；
光信号输入第一MMI分为两束，分别沿上臂和下臂传输，然后在第二MMI处耦合后，由不同端口输出。
4.如权利要求1所述的集成相干接收机，其特征在于，所述第一混频器和第二混频器为90°混频器，所述TM模式/TE模式的光信号混频后输出四个光信号的相位分别为0°、180°、90°和270°。
5.如权利要求1所述的集成相干接收机，其特征在于，所述第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一混频器和第二混频器集成于同一芯片。
6.如权利要求1所述的集成相干接收机，其特征在于，所述集成相干接收机还包括两个差分放大器，每个差分放大器连接四个PD，将PD输入的微电流信号差分放大为电压信号。
7.如权利要求1所述的集成相干接收机，其特征在于，所述集成相干接收机还包括高速传输设备，用于与外部设备连接，输出信号。
8.如权利要求2所述的集成相干接收机，其特征在于，所述PD阵列与所述第一混频器和第二混频器输出波导通过红外成像方法进行耦合对称监控。
9.如权利要求3所述的集成相干接收机，其特征在于，对所述上臂或下臂的波导宽度和长度进行优化设计，改变输入光信号的有效折射率，实现TE/TM模式的分离。
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