CN109946790B - 一种光偏振调制器及光偏振调制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光偏振调制器及光偏振调制的方法，涉及光通信领域。本发明公开的光偏振调制器，包括：光分束器，将输入的光信号分为两束能量相同的光信号；相移臂，根据接收到的电学信号调整加载相位差，调整输入的两束光信号之间的相位差；2*2光合束器，将相移臂输出的相位相差为0的两束光信号，合束从下端口输出，将相移臂输出的相位相差为π的两束光信号，合束从上端口输出；偏振旋转合束器，将2*2光合束器的下端口输出的光信号保持原有偏振状态合并成一束光信号后输出，将2*2光合束器的上端口输出的光信号的偏振状态进行偏振旋转再合并成一束光信号后输出。本申请技术方案，实现了基于波导结构的光偏振调制，便于实现大规模量产。

Description

一种光偏振调制器及光偏振调制的方法

技术领域

本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种光偏振调制器及光偏振调制的方法。

背景技术

随着移动互联网、云计算、数据中心以及虚拟现实(VR)等技术的飞速发展,人们对信息传输的带宽和时延的要求越来越高，未来光网络的传输能力将面临着前所未有的挑战，有效的提升现有光网络的传输能力变得十分迫切。光调制器是光通信网络中的核心光器件，用来实现信息从电到光的转变。从承载信息的角度上看，可以在光波的强度，相位，频率，偏振上加载调制信号。而现有光通信系统中的高速调制器主要基于光波导结构实现光强度和相位的调制，如何进一步提升调制器的信息加载能力对改善光通信网络具有重要意义。

光偏振调制是利用外部电学信号改变光的偏振状态，使其携带调制信息。目前最流行的光偏振调控方法是基于电光晶体的线性电光效应和双折射效应来实现的，具有时间稳定性和电场稳定的优点。但由于所采用的晶体材料需要特殊的生长方式和条件，与现有的光子集成工艺尤其是CMOS工艺不兼容，因此无法实现大规模、低成本的量产。

发明内容

本文提供一种光偏振调制器及光偏振调制的方法，可以解决现有光偏振调制器无法与光子集成工艺兼容的问题。

本文公开了一种光偏振调制器，包括输入波导、光分束器、相移臂、2*2光合束器、偏振旋转合束器以及输出波导，其中：

所述光分束器，将通过所述输入波导输入的光信号分为两束能量相同的光信号，传输至所述相移臂；

所述相移臂，根据接收到的电学信号调整加载相位差，按照所述加载相位差调整输入的两束光信号之间的相位差，并输出至所述2*2光合束器；

所述2*2光合束器，将所述相移臂输出的相位相差为0的两束光信号，合束从所述2*2光合束器的下端口输出至偏振旋转合束器，将所述相移臂输出的相位相差为π的两束光信号，合束从所述2*2光合束器的上端口输出至偏振旋转合束器；

所述偏振旋转合束器，将所述2*2光合束器的下端口输出的光信号保持原有偏振状态合并成一束光信号后输出至所述输出波导，将所述2*2光合束器的上端口输出的光信号的偏振状态进行偏振旋转再合并成一束光信号后输出至所述输出波导。

可选地，上述光偏振调制器中，所述偏振旋转合束器为一个集成器件，或者分为偏振旋转器和偏振合束器。

可选地，上述光偏振调制器中，所述光分束器采用普通3dB耦合器。

可选地，上述光偏振调制器中，所述光偏振调制器采用绝缘衬底上的硅(SOI)材料制成。

可选地，上述光偏振调制器中，所述光偏振调制器采用半导体制造工艺制成。

本文还公开了一种光偏振调制的方法，包括：

光信号通过输入波导传输至光分束器，由所述光分束器将输入的光信号分为两束能量相同的光信号传输至相移臂；

所述相移臂根据接收到的电学信号调整加载相位差，按照所述加载相位差调整所述光分束器输出的两束光信号之间的相位差，并传输至2*2光合束器；

所述2*2光合束器将所述相移臂输出的相位相差为0的两束光信号，合束后由下端口输出至偏振旋转合束器，所述2*2光合束器将所述相移臂输出的相位相差为π的两束光信号，合束后由上端口输出至偏振旋转合束器；

所述偏振旋转合束器，将所述2*2光合束器的下端口输出的光信号保持原有偏振状态合并成一束光信号后输出至所述输出波导，将所述2*2光合束器的上端口输出的光信号的偏振状态进行偏振旋转再合并成一束光信号后输出至所述输出波导。

可选地，上述方法中，所述偏振旋转合束器，将所述2*2光合束器的下端口输出的光信号保持原有偏振状态合并成一束光信号后输出至所述输出波导，包括：

当所述2*2光合束器的下端口输出的光信号为TE0模式或TM0模式时，所述偏振旋转合束器保持相位相差为0的两束TE0模式或TM0模式的光信号的模式不变，并合并为一束光信号后，输出至所述输出波导。

可选地，上述方法中，所述偏振旋转合束器，将所述2*2光合束器的上端口输出的光信号的偏振状态进行偏振旋转再合并成一束光信号后输出至所述输出波导，包括：

当所述2*2光合束器的上端口输出的光信号为TE0模式或TM0模式时，所述偏振旋转合束器，将保持相位相差为π的两束TE0模式或TM0模式的光信号，进行偏振旋转，偏振旋转后转变为两束TM0模式或TE0模式的光信号，再合并为一束光信号后，输出至所述输出波导。

本申请技术方案，与现有技术相比，实现了基于波导结构的光偏振调制，其采用SOI(Silicon-On-Insulator,绝缘衬底上的硅)材料，可与现有的光子集成工艺兼容，便于实现大规模量产，且调制的机理仍基于相位的变化，这与传统的马赫曾德(MZ)调制结构相似，可以完全沿用已有的高速调制器设计方法，实现单片上光偏振、强度和相位的组合调制。

附图说明

图1是本发明实施例中第一种光偏振调制器的结构示意图；

图2是本发明实施例中第二种光偏振调制器的结构示意图；

图3是本发明实施例中第一种光偏振调制器的偏振旋转合束器的结构示意图；

图4是本发明实施例中第二种光偏振调制器的光偏振旋转器和偏振合束器的结构示意图；

图5是本发明实施例中第一种光偏振调制器，在输入TE0信号且两调制臂相位差为0的输出情况示意图；

图6是本发明实施例中第一种光偏振调制器，在输入TE0信号且两调制臂相位差为π的输出情况示意图；

图7是本发明实施例中第二种光偏振调制器，在输入TE0信号且两调制臂相位差为0的输出情况示意图；

图8是本发明实施例中第二种光偏振调制器，在输入TE0信号且两调制臂相位差为π的输出情况示意图；

图9是本发明实施例中输入TE0信号在相移臂上加载0和π相位差的电学信号时光偏振态输出情况示意图。

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明白，下文将结合具体实施方式对本发明技术方案作进一步详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

本申请发明人提出，在光波导结构上实现光偏振调制。基于此，本发明提供一种光偏振调制器主要包括：输入波导，光分束器，相移臂，2*2光合束器,偏振旋转合束器以及输出波导。

光信号通过输入波导输入光分束器；

光分束器，将输入的光信号分为两束能量相同的光信号，传输至相移臂；

相移臂，根据接收到的电学信号调整加载相位差，按照加载相位差调整输入的两束光信号之间的相位差，并输出至2*2光合束器；

2*2光合束器，将相移臂输出的两束光信号进行合束，其中，相移臂的加载相位差为0时，从2*2光合束器的下端口输出至偏振旋转和偏振合束器，相移臂的加载相位差为π时，从2*2光合束器的上端口输出至偏振旋转和偏振合束器；

偏振旋转合束器，将2*2光合束器的下端口输出的光信号保持原有偏振状态输出至所述输出波导，将2*2光合束器的上端口输出的光信号进行偏振旋转和合束后输出至所述输出波导。

本文中，偏振旋转合束器可以为一个集成器件即其内部实现偏振状态的旋转以及光合束，也可以为两个独立的器件(即偏振旋转合束器可分为偏振旋转器和偏振合束器)

上述光分束器可以采用普通3dB耦合器，将输入光分成两束能量相同的光信号。例如，输入光为TE0模式时，分为两束能量相同的TE0模式的光信号。输入光为TM0模式时，分为两束能量相同的TM0模式的光信号。本文涉及的光偏振调制器可采用新型SOI材料制成。加工工艺选用现有半导体集成工艺即可。上述各器件的工作原理主要是基于波导中TE，TM的偏振状态转换。光从输入波导输入，经过分束器变为能量相同的两束光，通过相移臂后两束间存在特定的相位差并经2*2光合束器输出。当两相移臂上的相位差为0时，光合束后从2*2的下端口输出，经过偏振旋转和合束后将保持原有的偏振状态输出；当两相移臂上的相位差为π时，光从2*2的上端口输出，经过偏振旋转和合束后偏振状态将发生旋转。因此，当0和π的电驱动信号加载到相移臂上时，就对光的输出偏振态形成调制。光偏振旋转和合束是偏振调制器的核心，起着偏振态旋转和合束的作用，光从偏振旋转和合束器的不同端口输入时，其输出的偏振态不同。例如，当2*2光合束器的下端口输出的光信号为TE0模式或TM0模式时，偏振旋转合束器保持相位相差为0的两束TE0模式或TM0模式的光信号的模式不变(即保持两束光信号的偏振状态不变)，并合并为一束光信号后，输出至输出波导。当2*2光合束器的上端口输出的光信号为TE0模式或TM0模式时，偏振旋转合束器，将保持相位相差为π的两束TE0模式或TM0模式的光信号，进行偏振旋转(即对两束光信号的偏振状态进行旋转)，偏振旋转后转变为两束TM0模式或TE0模式的光信号，再合并为一束光信号后，输出至输出波导。本文还提供一种光偏振调制方法，可以基于上述光偏振调制器实现，其主要包括：

光信号通过输入波导传输至光分束器，由光分束器将输入的光信号分为两束能量相同的光信号传输至相移臂；

相移臂根据接收到的电学信号调整加载相位差，按照加载相位差调整光分束器输出的两束光信号之间的相位差，并传输至2*2光合束器；

2*2光合束器将相移臂输出的相位相差为0的两束光信号，合束后由下端口输出至偏振旋转合束器，2*2光合束器将相移臂输出的相位相差为π的两束光信号，合束后由上端口输出至偏振旋转合束器；

偏振旋转合束器将2*2光合束器的下端口输出的光信号保持原有偏振状态合并成一束光信号后输出至输出波导，将2*2光合束器的上端口输出的光信号的偏振状态进行偏振旋转再合并成一束光信号后输出至输出波导。

其中，当2*2光合束器的下端口输出的光信号为TE0模式或TM0模式时，偏振旋转合束器保持相位相差为0的两束TE0模式或TM0模式的光信号的模式不变，并合并为一束光信号后，输出至输出波导。

当2*2光合束器的上端口输出的光信号为TE0模式或TM0模式时，偏振旋转合束器，将保持相位相差为π的两束TE0模式或TM0模式的光信号，进行偏振旋转，偏振旋转后转变为两束TM0模式或TE0模式的光信号，再合并为一束光信号后，输出至输出波导。

下面结合附图对上述方案的实施作进一步的详细描述：

实施例1：

本实施例中光偏振调制器如附图1所示，分成六部分：输入波导，光分束器，相移臂，2*2光合束器，光偏振旋转合束器和输出波导。

当输入光为TE0模式(或TM0模式)时，光分束器可选择普通的3dB耦合器，输出强度相同的两束TE0模式(或TM0模式)的光进入相移臂。通过接收到的电学信号(即加载相位差)，调整两相移臂的相位差，当调整后的两束光信号之间的相位相差为0时，两束TE0模式(或TM0模式)光合束从2*2光合束器的下端口输出，从图3所示的光偏振旋转合束器2端口输入，输出仍为TE0模式(或TM0模式)的光信号(即保持原有的偏振状态合并输出一束光信号)，如图5所示；当调整后的两束光信号之间的相位相差为π时，两束TE0模式(或TM0模式)光合束从2*2光合束器的上端口输出，经图3所示的光偏振旋转合束器1端口输入，输出为TM0模式(或TE0模式)的光信号(即输入的相位差π的两束光信号经过偏振旋转和合束后偏振状态发生旋转),如图6所示。

其中，偏振光旋转合束器如图3所示，当TE0模式(或TM0模式)的光信号从1端口输入时，输出光为TM0模式(或TE0模式)，偏振状态发生旋转；当TE0模式(或TM0模式)的光信号从2端口输入时，输出光将保持原有偏振状态，仍为TE0模式(或TM0模式)。

图9是输出光偏振调制信号的示意图，在调制器两相移臂上加载0和π的相位调制信息，将在输出端形成TE0和TM0的偏振调制信号。

实施例2：

本实施例中光偏振调制器如附图2所示，分成六部分：输入波导，光分束器，相移臂，2*2光合束器，光偏振旋转器、偏振合束器及输出波导。

当输入光为TE0模式(或TM0模式)时，光分束器可选择普通的3dB耦合器，输出强度相同的两束TE0模式(或TM0模式)的光进入相移臂。通过接收到的电学信号(即加载相位差)，调整两相移臂的相位差，当相位差为0时，两束TE0模式(或TM0模式)光合束从2*2光合束器的下端口输出，从图4所示的光偏振旋转合束器2端口输入，偏振状态保持不变，输出仍为TE0模式(或TM0模式)的光信号，如图7所示；当相位差为π时，两束TE0模式(或TM0模式)光合束从2*2光合束器的上端口输出，经图4所示的偏振旋转器，经过偏振旋转后，偏振状态发生改变，由TE0模式转变为TM0模式(或由TM0模式转变为TE0模式)后，再由偏振合束器1端口输入，输出为TM0模式(或TE0模式)的光信号,如图8所示。

偏振旋转器和偏振合束器如图4所示，当TE0模式(或TM0模式)的光信号从1端口输入时，经过偏振旋转后，光转变为TM0模式(或TE0模式)，经偏振合束器输出，为TM0模式(或TE0模式)；当TE0模式(或TM0模式)的光信号从2端口输入时，输出光将保持原有偏振状态，仍为TE0模式(或TM0模式)。

图9是输出光偏振调制信号的示意图，在调制器两相移臂上加载0和π的相位调制信息，将在输出端形成TE0和TM0的偏振调制信号。

实施例3：

一种光偏振调制的具体方法，包括如下操作：

输入光为TE0模式(或TM0模式)光信号时，光分束器可以输出强度相同的两束TE0模式(或TM0模式)的光进入相移臂。

相移臂通过接收到的电学信号(即加载相位差)，调整两相移臂的相位差，当调整后的两束光信号之间的相位相差为0时，两束TE0模式(或TM0模式)光合束从2*2光合束器的下端口输出。光偏振旋转合束器2端口接收2*2光合束器的下端口输出的两束TE0模式(或TM0模式)光信号后，保持原有的偏振状态合并输出一束光信号，即输出仍为TE0模式(或TM0模式)的光信号。

当调整后的两束光信号之间的相位相差为π时，两束TE0模式(或TM0模式)光合束从2*2光合束器的上端口输出，光偏振旋转合束器1端口接收上述相位相差π的两束TE0模式(或TM0模式)光信号，对这两束光信号进行偏振旋转和合束，即最终输出为TM0模式(或TE0模式)的光信号。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本申请不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

以上所述，仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光偏振调制器，包括输入波导、光分束器、相移臂、2*2光合束器、偏振旋转合束器以及输出波导，其中：

所述光分束器，将通过所述输入波导输入的光信号分为两束能量相同的光信号，传输至所述相移臂；

所述相移臂，根据接收到的电学信号调整加载相位差，按照所述加载相位差调整输入的两束光信号之间的相位差，并输出至所述2*2光合束器；

其特征在于：

所述2*2光合束器，将所述相移臂输出的相位相差为0的两束光信号，合束从所述2*2光合束器的下端口输出至偏振旋转合束器，将所述相移臂输出的相位相差为π的两束光信号，合束从所述2*2光合束器的上端口输出至偏振旋转合束器；

所述偏振旋转合束器，将所述2*2光合束器的下端口输出的光信号保持原有偏振状态合并成一束光信号后输出至所述输出波导，将所述2*2光合束器的上端口输出的光信号的偏振状态进行偏振旋转再合并成一束光信号后输出至所述输出波导。

2.如权利要求1所述的光偏振调制器，其特征在于，

所述偏振旋转合束器为一个集成器件，或者分为偏振旋转器和偏振合束器。

3.如权利要求1或2所述的光偏振调制器，其特征在于，

所述光分束器采用普通3dB耦合器。

4.如权利要求3所述的光偏振调制器，其特征在于，

所述光偏振调制器采用绝缘衬底上的硅SOI材料制成。

5.如权利要求4所述的光偏振调制器，其特征在于，

所述光偏振调制器采用半导体制造工艺制成。

6.一种光偏振调制的方法，包括：

光信号通过输入波导传输至光分束器，由所述光分束器将输入的光信号分为两束能量相同的光信号传输至相移臂；

所述相移臂根据接收到的电学信号调整加载相位差，按照所述加载相位差调整所述光分束器输出的两束光信号之间的相位差，并传输至2*2光合束器；

所述2*2光合束器将所述相移臂输出的相位相差为0的两束光信号，合束后由下端口输出至偏振旋转合束器，所述2*2光合束器将所述相移臂输出的相位相差为π的两束光信号，合束后由上端口输出至偏振旋转合束器；

所述偏振旋转合束器，将所述2*2光合束器的下端口输出的光信号保持原有偏振状态合并成一束光信号后输出至输出波导，将所述2*2光合束器的上端口输出的光信号的偏振状态进行偏振旋转再合并成一束光信号后输出至所述输出波导。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述偏振旋转合束器，将所述2*2光合束器的下端口输出的光信号保持原有偏振状态合并成一束光信号后输出至所述输出波导，包括：

当所述2*2光合束器的下端口输出的光信号为TE0模式或TM0模式时，所述偏振旋转合束器保持相位相差为0的两束TE0模式或TM0模式的光信号的模式不变，并合并为一束光信号后，输出至所述输出波导。

8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述偏振旋转合束器，将所述2*2光合束器的上端口输出的光信号的偏振状态进行偏振旋转再合并成一束光信号后输出至所述输出波导，包括：

当所述2*2光合束器的上端口输出的光信号为TE0模式或TM0模式时，所述偏振旋转合束器，将保持相位相差为π的两束TE0模式或TM0模式的光信号，进行偏振旋转，偏振旋转后转变为两束TM0模式或TE0模式的光信号，再合并为一束光信号后，输出至所述输出波导。

Images