CN110779440A - 一种基于马赫泽德干涉仪结构的偏振不敏感光开关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于马赫泽德干涉仪结构的偏振不敏感光开关。本发明是具有TE或TM偏振的激光器光源信号通过I1或I2端口输入，经过3dB功分器将功率等分到马赫泽德干涉仪结构的两个路径，这两个路径上都存在一个偏振旋转器，通过偏振旋转器将光信号的偏振转化成与之垂直的偏振态，其中一个路径上的相位调制器可以控制相位差，而后两个路径的光场在合束器上进行干涉输出。通过控制两个路径的相位差，可以选择O1或O2任一端口输出光信号。本发明提出的一种基于马赫泽德干涉仪结构的偏振不敏感光开关是以片上光波导结构为基础，具有易于规模集成、成本低、能耗低等特点，能够满足高速、大容量光通信网络的应用需求。

Description

一种基于马赫泽德干涉仪结构的偏振不敏感光开关
技术领域
本发明属于光电子器件领域，具体涉及一种基于马赫泽德干涉仪结构的偏振不敏感光开关。
背景技术
随着高速率、大容量的光通信网络和数据中心的迅猛发展，大规模光传送网络的需求日益增长，其中光开关是光交换网络的基础和关键器件之一，光开关可对光传送路线进行路由选择，在空间上实现数据复用，也可实现对光网络的保护倒换等，增加了光通信链路的灵活性、可重构性。
CMOS工艺兼容的片上光波导可集成激光器和探测器，形成从光源到探测的一体化芯片，同时支持规模集成，推动了系统的小型化发展。基于片上光波导的光开关具有易于大规模集成、功耗低、成本低等特点，具有很大的应用前景。基于马赫泽德干涉仪结构的光开关具有带宽大、消光比高、结构紧凑等特点，同时光通信链路具有偏振不敏感的要求，实现偏振不敏感的片上光开关具有非常重要的意义和实用价值。因此，基于光波导技术的马赫泽德干涉仪结构光开关具有较大的市场潜力。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于马赫泽德干涉仪结构的偏振不敏感光开关。本发明采用的是马赫泽德干涉仪结构实现光路由开关，并且采用偏振旋转器实现偏振不敏感输出，结合片上光波导易于集成、能耗低、成本低等优势，实现片上光开关的功能。
一种基于马赫泽德干涉仪结构的偏振不敏感光开关，包括输入端口(1)、3dB功分器(2)、偏振旋转器(3)、相位调制器(4)、合束器(5)、输出端口(6)；激光器输入光源具有TE或TM偏振的激光器光源信号通过I1或I2输入端口(1)输入，经过3dB功分器(2)将功率等分到马赫泽德干涉仪的两个路径，这两个路径上都存在一个偏振旋转器(3)，通过偏振旋转器将光信号的偏振转化成与之垂直的偏振态，且其中一条路径上还设置有两个相位调制器(4)，两个相位调制器(4)分别设置在偏振旋转器(3)的输入和输出端,该路径上的相位调制器(4)能够控制相位差；之后两个路径的光场在合束器(5)上进行干涉输出,通过控制两个路径的相位差，可以选择O1或O2任一输出端口(6)输出光信号。
所述的输入口(1)连接激光器光源，光源可具有片上集成的特点，其后连接3dB功分器(2)。
所述3dB功分器(2)，具有偏振不敏感的性能，能够将输入光等分至两个路径，路径上存在偏振旋转器(3)和相位调制器(4)。
所述的偏振旋转器(3)能够将输入线偏振光旋转至与之垂直的线偏振光，并且两个路径上都存在此偏振旋转器(3)，偏振旋转后的光场在合束器(5)中干涉，可以实现输出光谱的偏振不敏感。
所述马赫泽德干涉仪的其中一个路径上放置两个相位调制器(4)，所述的相位调制器(4)在偏振旋转器(3)的输入输出端均有放置,此路径上的相位变化的表达式如下：
Figure BDA0002231286650000021
式(1)中，λ为工作波长，Δneff1和Δneff2为两个相位调制器引起的波导折射率的变化，L1和L2为两个相位调制器的调制长度,其中L1和L2相等，在相同的开关电压下，输入不同偏振光能够有相同的相位变化，从而得到偏振无差别的输出响应。
所述的相位调制器(4)对路径上的光场进行相位调制，动态控制光信号在马赫泽德干涉仪结构的任一输出端口(6)输出。
所述的合束器(5)具有与3dB功分器(3)相同的结构，马赫泽德干涉仪结构两个路径的光场在合束器(5)上干涉输出。
所述的输出端口(6)连接探测器，也可具有片上集成的特点。
所述的输出与输入光场的强度和相位关系通过传输矩阵表示为：
T＝C2PC1 (2)
其中，C1、P、C2分别代表3dB功分器、传输路径、合束器的光场传输矩阵。
所述的所有器件均为片上集成光波导结构。
本发明具有的有益的效果是：
(1)片上光波导存在偏振敏感问题，本发明采用在马赫泽德干涉仪结构的路径中插入偏振旋转器的方法，使得片上光开关具有偏振不敏感的性能。
(2)本发明基于片上光波导技术的光开关，与CMOS工艺兼容，具有器件结构紧凑，易于单片集成等特点。
附图说明
图1是本发明基于片上马赫泽德干涉仪结构的偏振不敏感光开关的示意图。
图中：输入端口(1)、3dB功分器(2)、偏振旋转器(3)、相位调制器(4)、合束器(5)、输出端口(6)。
图2是马赫泽德干涉仪结构一个路径示意图。
图3(a)是光开关的输出端口透射率图。
图3(b)是光开关的输出端口透射率图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种基于马赫泽德干涉仪结构的偏振不敏感光开关，自左向右依次包括：输入端口(1)、3dB功分器(2)、偏振旋转器(3)、相位调制器(4)、合束器(5)、输出端口(6)。激光器输入光源具有TE或TM偏振的激光器光源信号通过I1或I2输入端口(1)输入，经过3dB功分器(2)将功率等分到马赫泽德干涉仪的两个路径，两个路径上都存在一个偏振旋转器(3)，通过偏振旋转器将光信号的偏振转化成与之垂直的偏振态，且其中一条路径上还设置有两个相位调制器(4)，两个相位调制器(4)设置在偏振旋转器(3)的输入输出端,该路径上的相位调制器(4)能够控制相位差。之后两个路径的光场在合束器(5)上进行干涉输出。通过控制两个路径的相位差，可以选择O1或O2任一输出端口(6)输出光信号。
所述的3dB功分器(2)具有偏振不敏感的性能，偏振不敏感的功分器可以将TE或TM偏振光功率无差别的等分输出至马赫泽德干涉仪的两个传输路径，为了使这两个传输路径偏振不敏感，两个路径上各存在一个偏振旋转器(3)，所述的偏振旋转器(3)能够将输入TE或TM线偏振光旋转至与之垂直的TM或TE线偏振光，因此，TE或TM线偏振光在马赫泽德干涉仪的两个传输路径上经过了相同的变换和传输。
为了动态控制光信号在马赫泽德干涉仪结构的任一输出端口输出，在马赫泽德干涉仪的其中一个路径上放置相位调制器(4)，如图2所示，所述的相位调制器(4)在偏振旋转器的输入输出端均有放置。此路径上的相位变化的表达式如下：
Figure BDA0002231286650000041
式(1)中，λ为工作波长，Δneff1和Δneff2为两个相位调制器引起的波导折射率的变化，L1和L2为两个相位调制器的调制长度。其中L1和L2相等，在相同的开关电压下，输入不同偏振光能够有相同的相位变化，从而得到偏振无差别的输出响应。
所述的合束器(5)具有与3dB功分器(3)相同的结构，马赫泽德干涉仪结构两个路径的光场在合束器上干涉输出，可以获得较高的消光比。
本系统中主要由分束器、马赫泽德干涉仪传输路径、合束器三个部分级联形成，输出与输入光场的强度和相位关系通过传输矩阵表示为：
T＝C2PC1 (2)
其中C1、P、C2分别代表3dB功分器、传输路径、合束器的光场传输矩阵。
改变相位调制(4)的相位，当马赫泽德干涉仪两个路径的相位差为0或者π，可以实现输出端口O1/O2的信号开关。当控制两路径相位差为0时，输出频谱如图3(a)所示，TE/TM信号都从O2端口输出；当控制两路径相位差为π时，输出频谱如图3(b)所示，TE/TM信号都从O1端口输出。O1/O2端口的TE或TM偏振光输出频谱相同，实现偏振不敏感光开关。

Claims (9)

1.一种基于马赫泽德干涉仪结构的偏振不敏感光开关，其特征在于由如下部分构成：输入端口(1)、3dB功分器(2)、偏振旋转器(3)、相位调制器(4)、合束器(5)、输出端口(6)；激光器输入光源具有TE或TM偏振的激光器光源信号通过I1或I2输入端口(1)输入，经过3dB功分器(2)将功率等分到马赫泽德干涉仪的两个路径，这两个路径上都存在一个偏振旋转器(3)，通过偏振旋转器将光信号的偏振转化成与之垂直的偏振态,且其中一条路径上还设置有两个相位调制器(4)，两个相位调制器(4)设置在偏振旋转器(3)的输入输出端,该路径上的相位调制器(4)能够控制相位差；之后两个路径的光场在合束器(5)上进行干涉输出,通过控制两个路径的相位差，可以选择O1或O2任一输出端口(6)输出光信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于马赫泽德干涉仪结构的偏振不敏感光开关，其特征在于所述的输入口(1)连接激光器光源，光源可具有片上集成的特点，其后连接3dB功分器(2)。
3.根据权利要求2所述的一种基于马赫泽德干涉仪结构的偏振不敏感光开关，其特征在于所述3dB功分器(2)，具有偏振不敏感的性能，能够将输入光等分至两个路径，路径上存在偏振旋转器(3)和相位调制器(4)。
4.根据权利要求3所述的一种基于马赫泽德干涉仪结构的偏振不敏感光开关，其特征在于所述的偏振旋转器(3)能够将输入线偏振光旋转至与之垂直的线偏振光，并且两个路径上都存在此偏振旋转器(3)，偏振旋转后的光场在合束器(5)中干涉，可以实现输出光谱的偏振不敏感。
5.根据权利要求3所述的一种基于马赫泽德干涉仪结构的偏振不敏感光开关，其特征在于马赫泽德干涉仪的其中一个路径上放置两个相位调制器(4)，所述的相位调制器(4)在偏振旋转器的输入输出端均有放置；此路径上的相位变化的表达式如下：
Figure FDA0002231286640000011
式(1)中，λ为工作波长，Δneff1和Δneff2为两个相位调制器引起的波导折射率的变化，L1和L2为两个相位调制器的调制长度；其中L1和L2相等，在相同的开关电压下，输入不同偏振光能够有相同的相位变化，从而得到偏振无差别的输出响应。
6.根据权利要求4或5所述的一种基于马赫泽德干涉仪结构的偏振不敏感光开关，其特征在于所述的相位调制器(4)对路径上的光场进行相位调制，动态控制光信号在马赫泽德干涉仪结构的任一输出端口(6)输出。
7.根据权利要求6所述的一种基于马赫泽德干涉仪结构的偏振不敏感光开关，其特征在于所述的合束器(5)具有与3dB功分器(3)相同的结构，马赫泽德干涉仪结构两个路径的光场在合束器(5)上干涉输出。
8.根据权利要求7所述的一种基于马赫泽德干涉仪结构的偏振不敏感光开关，其特征在于所述的输出端口(6)连接探测器，也可具有片上集成的特点。
9.根据权利要求8所述的一种基于马赫泽德干涉仪结构的偏振不敏感光开关，其特征在于端口(6)的输出光场与输入光场的强度和相位关系通过传输矩阵表示为：
T＝C2PC1 (2)
其中，C1、P、C2分别代表3dB功分器、传输路径、合束器的光场传输矩阵。
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