CN109946856A - 一种光偏振调制器及其实现光偏振调制的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光偏振调制器及其实现光偏振调制的方法，涉及光通信领域。本发明公开的光偏振调制器，包括输入波导、光分束器、相移臂、光合束器和输出波导，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，并输出至所述光合束器；所述光合束器，将所述相移臂输出的两束光信号进行合束及模式演化后通过所述输出波导输出一束光信号。本申请技术方案实现了基于波导结构的光偏振调制，可与现有的CMOS工艺兼容，并且可以达到大规模、低成本的量产。
Description
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其实现光偏振调制的方法。
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。
光偏振调制是利用接收到的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、光合束器和输出波导，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，并输出至所述光合束器；
所述光合束器，将所述相移臂输出的两束光信号进行合束及模式演化后通过所述输出波导输出一束光信号。
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，或者偏振光分束器，其中，所述偏振光分束器包括光输入区、模式演化区和输出区，所述模式演化区对TE0模式的光信号为透明传输，所述模式演化区对TM0模式的光信号进行模式演化为TE1模式的光信号再进行光分束为相位相差为π的两束TE0模式的光信号后传输。
可选地，上述光偏振调制器中，所述光合束器采用偏振光合束器，所述偏振光合束器包括光输入区、模式演化区和输出区，所述模式演化区对TE0模式的光信号为透明传输，所述模式演化区对TE1模式的光信号进行模式演化为TM0模式的光信号传输。
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，并传输至光合束器；
所述光合束器将所述相移臂输出的两束光信号进行合束及模式演化后通过输出波导输出一束光信号。
可选地，上述方法中，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，包括：
当输入的光信号为TE0模式时，所述光分束器采用普通的3dB耦合器，或者偏振光分束器，将输入的TE0模式的光信号分为强度相同相位差为0的两束TE0模式的光信号；
当输入的光信号为TM0模式时，所述光分束器采用偏振光分束器，将输入的TM0模式的光信号经过模式演化为TE1模式的光信号，再分为强度相同相位相差π的两束TE0模式的光信号。
可选地，上述方法中，所述光合束器，将所述相移臂输出的两束光信号进行合束及模式演化后通过所述输出波导输出一束光信号，包括：
当所述相移臂输出的两束光信号为两束相位差为0的TE0模式的光信号时，所述光合束器采用偏振光合束器，将输入的两束相位差为0的TE0模式的光信号合束为一束TE0模式的光信号输出至述输出波导；
当所述相移臂输出的两束光信号为两束相位差为π的TE0模式的光信号时，所述光合束器采用偏振光合束器，将输入的两束相位差为π的TE0模式的光信号合束为一束TE1模式的光信号，再经过模式演化为一束TM0模式的光信号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材料，可与现有的CMOS工艺兼容，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，并且可以达到大规模、低成本的量产。
附图说明
图1是本发明实施例中光偏振调制器的结构示意图；
图2是本发明实施例中光偏振调制器的偏振光分束器的结构示意图；
图3是本发明实施例中光偏振调制器的偏振光合束器的结构示意图；
图4是本发明实施例中偏振光分/合束器输入TE0模时的电场仿真结果示意图；
图5是本发明实施例中偏振光分/合束器输入TM0模时的电场仿真结果示意图；
图6是本发明实施例中光偏振调制器输入TE0信号且两调制臂相位差为0的输出情况示意图；
图7是本发明实施例中光偏振调制器输入TE0信号且两调制臂相位差为π的输出情况示意图；
图8是本发明实施例中光偏振调制器输入TE0信号在相移臂上加载0和π相位差时的光强度输出情况示意图。
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，光合束器和输出波导。
光信号通过输入波导输入至光分束器；
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，并输出至光合束器；
光合束器，将相移臂输出的两束光信号进行合束及模式演化后通过输出波导输出一束光信号。
具体地，光分束器可以采用普通3dB耦合器，或者偏振光分束器。本文中，偏振光分束器包括光输入区、模式演化区和输出区。要注意的是，模式演化区对TE0模式的光信号为透明传输，对TE1模式和TM0模式的光信号进行模式互转后传输。即模式演化区对于TE0模式的光透明，而对于TM0模式的光要演化成TE1模式的光再进行分束，分为两束相位相差为π的两束TE0模式的光信号。
而上述光合束器则采用偏振光合束器，其与偏振光分束器原理相对应，也包括光输入区、模式演化区和输出区。
本文中所涉及的光偏振调制器可采用新型的SOI(Silicon-On-Insulator,绝缘衬底上的硅)材料制成。并且可以采用现有先进的半导体制造工艺制成。
上述各器件的工作原理主要是基于波导中TE，TM的模式转换。光从输入波导输入，经过分束器变为能量相同的两束光，通过相移臂后两光束间存在特定的相位差并由光合束器输出。例如，当两相移臂上的相位差为0时，偏振光合束器的输出将保持原有的偏振状态；当相位差为π时，输出端的偏振状态将发生模式偏转，形成光偏振的调制。其中，偏振光分/合束器可认为是偏振调制器的核心，其分为光输入区、模式演化区和输出区三部分。
下面介绍基于上述光偏振调制器实现光偏振调制的过程，主要包括如下操作：
光信号通过光偏振调制器的输入波导传输至所述光偏振调制器的光分束器，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所述光偏振调制器的相移臂；
相移臂，根据接收到的电学信号调整加载相位差，按照所述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，并传输至光偏振调制器的光合束器；
光合束器，将所述相移臂输出的两束光信号进行合束及模式演化后通过所述输出波导输出一束光信号。
具体地，当输入的光信号为TE0模式时，光分束器可以采用普通的3dB耦合器或者偏振光分束器，将输入的TE0模式的光信号分为强度相同相位差为0的两束TE0模式的光信号；
当输入的光信号为TM0模式时，光分束器采用偏振光分束器，将输入的TM0模式的光信号先进行模式演化为TE1模式的光信号，再进行光分束分为强度相同相位相差π的两束TE0模式的光信号。
对应地，光合束器的操作包括：当相移臂输出的两束光信号为两束相位差为0的TE0模式的光信号时，光合束器采用偏振光合束器，将输入的两束相位差为0的TE0模式的光信号合束为一束TE0模式的光信号输出至述输出波导；
当相移臂输出的两束光信号为两束相位差为π的TE0模式的光信号时，所述光合束器采用偏振光合束器，将输入的两束相位差为π的TE0模式的光信号合束为一束TE1模式的光信号，再经过模式演化为一束TM0模式的光信号输出至输出波导。
实施例1：
本发明实施例提供一种光偏振调制器如附图1所示，分成五部分：输入波导，光分束器，相移臂，偏振光分/合束器和输出波导。
当输入光为TE0模式时，光分束器可选择普通的3dB耦合器也可以选择图2所示的偏振光分束器，输出强度相同的两束TE0光进入相移臂。通过外部(即接收到的)的电学信号，调整两相移臂的相位差，当相位差为0时，两束TE0光从图3所示的偏振光合束器输出，仍为TE0模式的光信号；当相位差为π时，两束TE0光合束为TE1模式并经过模式演化输出为TM0光信号。
当输入光为TM0模式时，光通过偏振光分束器先进行模式演化为TE1模式的光再分束为相位相差π的两束TE0光，经过调制相移臂后，当加载相位差(即两相移臂的相位差)为0时，最终相位差为π的两束TE0光通过偏振光合束器合束为TE1模式的一束光信号再经过模式演化输出为TM0信号，当加载相位差(即两相移臂的相位差)为π时，最终相位差为0的两束TE0光合束为一束TE0信号并经过模式演化输出为TE0光信号。
本实施例中，偏振光分束器和合束器原理如图2、3所示，均分为光输入区、模式演化区和输出区三部分。其中，模式演化区对TE0模式光透明，而对TE1模式和TM0模式实现相互转化。即，对于偏振光分束器，模式演化区对输入的TM0模式的光信号经过模式演化为TE1模式的光信号，再经过光分束，分为相位相差为π的两束TE0光。对于偏振光合束器，相位相差为π的两束TE0光合束为一束TE1模式的光信号后，模式演化区对该TE1模式的光经过模式演化为TM0模式的光信号后传输。
附图4和5分别是输入TE0和TM0模式的光信号时偏振光分/合束器的光场分布情况。通过模式计算，可选择合适的模式演化波导结构来实现TE1和TM0光的转换。附图中以顶层220nm高度的SOI波导为例进行的计算。当输入TE0时，偏振光分束器输出两束相位和强度均相同的TE0光信号；当输入TM0时，偏振光分/合束器内将进行模式演化，TM0信号变换为TE1信号，在输出端分为两束强度相同，但相位差为π的TE0光信号。
附图6和7以输入TE0光为例，对偏振调制器的工作状态进一步说明。图中选择了普通的Y分支3dB耦合器和偏振光合束器作为光调制的基本光学结构。光从输入波导进入3dB分束器，形成两相位差为0的TE0光并通过调制臂。当调制臂上引入的相位差为0时，此时偏振合束器的输入为两同相位的TE0光，合束后仍为TE0信号；当调制臂上引入的相位差为π时，进入偏振光合束器的是两束反相位的TE0光，在前端先以TE1的模式存在，经过演化区后，由TE1转化为TM0输出。图8是输出光偏振调制信号的示意图，在光偏振调制器上加载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
本实施例提供一种光偏振调制的方法，其可以基于上述光偏振调制器来实现，主要包括如下操作：
当TE0模式的光信号通过输入波导输入时，光分束器可选择普通的3dB耦合器也可以选择偏振光分束器，输出强度相同的两束TE0光进入相移臂。通过外部(即接收到的)的电学信号，调整两相移臂的相位差，当相位差为0时，两束TE0光从偏振光合束器输出，仍为TE0模式的光信号；当相位差为π时，两束TE0光合束为TE1模式并经过偏振光合束器的模式演化为TM0光信号后由输出波导输出。
当TM0模式的光信号通过输入波导输入时，光信号先通过偏振光分束器进行模式演化为TE1模式的光再分束为相位相差π的两束TE0光，经过调制相移臂后，若加载相位差为0，则最终相位差为π的两束TE0光通过偏振光合束器合束为TE1模式的一束光信号再经过模式演化为TM0模式的光信号通过输出波导输出，若加载相位差(即两相移臂的相位差)为π，最终相位差为0的两束TE0光通过偏振光合束器合束为一束TE0信号并经过模式演化为TE0模式的光信号通过输出波导输出。
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、光合束器和输出波导，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，并输出至所述光合束器；
所述光合束器，将所述相移臂输出的两束光信号进行合束及模式演化后通过所述输出波导输出一束光信号。
2.如权利要求1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，或者偏振光分束器，其中，所述偏振光分束器包括光输入区、模式演化区和输出区，所述模式演化区对TE0模式的光信号为透明传输，所述模式演化区对TM0模式的光信号进行模式演化为TE1模式的光信号再进行光分束为相位相差为π的两束TE0模式的光信号后传输。
3.如权利要求1或2所述的光偏振调制器，其特征在于，
所述光合束器采用偏振光合束器，所述偏振光合束器包括光输入区、模式演化区和输出区，所述模式演化区对TE0模式的光信号为透明传输，所述模式演化区对TE1模式的光信号进行模式演化为TM0模式的光信号传输。
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，并传输至光合束器；
所述光合束器将所述相移臂输出的两束光信号进行合束及模式演化后通过输出波导输出一束光信号。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，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，包括：
当输入的光信号为TE0模式时，所述光分束器采用普通的3dB耦合器，或者偏振光分束器，将输入的TE0模式的光信号分为强度相同相位差为0的两束TE0模式的光信号；
当输入的光信号为TM0模式时，所述光分束器采用偏振光分束器，将输入的TM0模式的光信号经过模式演化为TE1模式的光信号，再分为强度相同相位相差π的两束TE0模式的光信号。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述光合束器，将所述相移臂输出的两束光信号进行合束及模式演化后通过所述输出波导输出一束光信号，包括：
当所述相移臂输出的两束光信号为两束相位差为0的TE0模式的光信号时，所述光合束器采用偏振光合束器，将输入的两束相位差为0的TE0模式的光信号合束为一束TE0模式的光信号输出至述输出波导；
当所述相移臂输出的两束光信号为两束相位差为π的TE0模式的光信号时，所述光合束器采用偏振光合束器，将输入的两束相位差为π的TE0模式的光信号合束为一束TE1模式的光信号，再经过模式演化为一束TM0模式的光信号输出至所述输出波导。
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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 | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190628 |